DE68924621T2 - Method and device for producing para-aramid pulp and pulp produced by this method. - Google Patents
Method and device for producing para-aramid pulp and pulp produced by this method.Info
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von para-Aramidpulpe und die dabei hergestellte Pulpe.The present invention relates to a method and an apparatus for producing para-aramid pulp and the pulp produced thereby.
Das industrielle Bedürfnis für para-Aramidpulpe, wie z.B. die von E.I. du Pont de Nemours and company unter der Marke "Kevlar " in den Handel gebrachte Poly(p-phenylenterephthalamid)-Pulpe, hat ständig zugenommen. Aufgrund seiner hohen Temperaturstabilität, Festigkeit und Abriebbeständigkeit ist para-Aramidpulpe zunehmend für Bremsbeläge und Dichtungen eingesetzt worden, um Asbest mit seinen bekannten Gesundheitsrisiken zu ersetzen. Para-Aramidpulpe wird auch in neuent-wickelten Papieren, Laminaten und Kompositen für Anwendungszwecke eingesetzt, bei denen eine hohe Festigkeit und Temperaturstabilität erforderlich sind.The industrial need for para-aramid pulp, such as the poly(p-phenylene terephthalamide) pulp marketed by E.I. du Pont de Nemours and company under the brand name "Kevlar", has been steadily increasing. Due to its high temperature stability, strength and abrasion resistance, para-aramid pulp has been increasingly used for brake linings and seals to replace asbestos with its known health risks. Para-aramid pulp is also used in newly developed papers, laminates and composites for applications where high strength and temperature stability are required.
Die meiste para-Aramidpulpe wird dadurch hergestellt, indem man zunächst nach dem Trockenstrahl-Naßspinnverfahren, welches in der US-A-3 767 756 offenbart ist, orientierte kontinuierliche Filamente erspinnt und die Filamente dann mechanisch in Pulpe überführt. Das Verspinnen von para- Aramiden ist jedoch ein kostspieliges und kompliziertes Verfahren. Um das Verfahren kurz zu erläutern, das Polymere wird in 100prozentiger Schwefelsäure aufgelöst, um eine optisch anisotrope Spinnmasse herzustellen. Die anisotrope Spinnmasse wird unter sorgfältig kontrollierten Bedingungen durch einen Luftspalt in ein Koagulationsbad gesponnen. Typischerweise werden die ersponnenen Filamente vor der mechanischen Überführung in Pulpe auch gewaschen und getrocknet. Im allgemeinen ist es auch erforderlich, eine spezielle Faserschneidvorrichtung zu verwenden, um die kontinuierlichen Filamente vor der Überführung in Pulpe zu einheitlichen kurzen Längen zu schneiden.Most para-aramid pulp is made by first spinning oriented continuous filaments by the dry jet wet spinning process disclosed in U.S. Patent No. 3,767,756 and then mechanically converting the filaments into pulp. However, spinning para-aramids is a costly and complicated process. To briefly explain the process, the polymer is dissolved in 100 percent sulfuric acid to produce an optically anisotropic dope. The anisotropic dope is spun through an air gap into a coagulation bath under carefully controlled conditions. Typically, the spun filaments are also washed and dried prior to mechanical conversion into pulp. It is also generally necessary to use a special fiber cutting device to cut the continuous To cut filaments into uniform short lengths before being converted into pulp.
Während zwar Versuche unternommen worden sind, um para- Aramidpulpe herzustellen, ohne daß zuerst eine Faser ersponnen werden muß (siehe beispielsweise US-A-4 511 623 oder EP-A- 0 246 732, ist ein kommerziell durchführbares Verfahren, um auf diese Weise para-Aramidpulpe zu erzeugen, welche für die derzeitigen Endanwendungszwecke geeignet ist, nicht entwickelt wurden.While attempts have been made to produce para-aramid pulp without first spinning a fiber (see, for example, US-A-4 511 623 or EP-A-0 246 732), a commercially viable process for producing para-aramid pulp in this way suitable for current end-use purposes has not been developed.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Herstellung von para-Aramidpulpe und nach diesem Verfahren erzeugte neue Pulpe zur Verfügung. Das Verfahren umfaßt das Bilden einer flüssigen, aktiv polymerisierenden Lösung, die Polymerketten von para-Aramid enthält, indem unter Rühren im wesentlichen stoichiometrische Mengen von aromatischem Disäurehalogenid, bestehend im wesentlichen aus einem paraorientierten aromatischen Disäurehalogenid, und aromatischem Diamin, bestehend im wesentlichen aus para-orientiertem aromatischem Diamin, in einem im wesentlichen wasserfreien Amidlösungsmittel miteinander in Berührung gebracht werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bestehen wenigstens etwa 80 Molprozent des aromatischen Diamins aus p- Phenylendiamin und wenigstens etwa 80 Molprozent des aromatischen Disäurehalogenids aus Terephthaloylchlorid. Die flüssige Lösung wird, sobald die inhärente Viskosität des para-Aramids zwischen 1 und 4 liegt, einem orientierenden Fließen unterworfen, welches eine optisch anisotrope Flüssigkeit erzeugt, die Domänen von Polymerketten aufweist, innerhalb welcher die Polymerketten des para-Aramids im wesentlichen in Richtung des Fließens orientiert sind. Die anisotrope Lösung wird dann für wenigstens eine Zeitdauer inkubiert, die ausreicht, daß die Lösung ein Gel wird, wobei man mit dem Inkubieren beginnt, sobald die genannte optisch anisotrope flüssige Lösung eine Viskosität zwischen 5 und 50 Pa s (50 und 500 Poise) aufweist und ausreichend ist, um im allgemeinen die Orientierung der Polymerketten in der anisotropen Lösung aufrecht zu erhalten.The present invention provides a process for producing para-aramid pulp and novel pulp produced by this process. The process comprises forming a liquid, actively polymerizing solution containing polymer chains of para-aramid by contacting with stirring substantially stoichiometric amounts of aromatic diacid halide consisting essentially of a para-oriented aromatic diacid halide and aromatic diamine consisting essentially of para-oriented aromatic diamine in a substantially anhydrous amide solvent. In a preferred embodiment of the invention, at least about 80 mole percent of the aromatic diamine is p-phenylenediamine and at least about 80 mole percent of the aromatic diacid halide is terephthaloyl chloride. The liquid solution is subjected, when the inherent viscosity of the para-aramid is between 1 and 4, to an orienting flow which produces an optically anisotropic liquid comprising domains of polymer chains within which the polymer chains of the para-aramid are oriented substantially in the direction of flow. The anisotropic solution is then incubated for at least a period of time sufficient for the solution to become a gel, incubation being commenced when said optically anisotropic liquid solution has a viscosity between 5 and 50 Pa s (50 and 500 poise). and is sufficient to generally maintain the orientation of the polymer chains in the anisotropic solution.
Das erhaltene Gel wird bei ausgewählten Intervallen in Querrichtung zu der Orientierung der Polymerketten in dem Gel geschnitten. Die para-Aramidpulpe kann dann aus dem Gel isoliert werden.The resulting gel is cut at selected intervals transverse to the orientation of the polymer chains in the gel. The para-aramid pulp can then be isolated from the gel.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das orientierende Fließen durch Extrudieren der Lösung durch eine Düse erzeugt, um eine länglich ausgestreckte anisotrope Lösungsmasse zu erhalten, wobei die Extrudierung vorzugsweise eine mittlere Scherung von weniger als etwa 100 sec&supmin;¹ ergibt. Es ist besonders vorteilhaft, wenn die mittlere Scherung weniger als etwa 50 sec&supmin;¹ beträgt. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Inkubierung anfänglich während die länglich ausgestreckte Lösungsmasse von der Düse mit einer Geschwindigkeit wegbefördert wird, die nicht geringer ist als die Geschwindigkeit der aus der Düse austretenden Masse, wobei die Masse vorzugsweise auf eine im allgemeinen horizontale Oberfläche abgelegt wird, die sich von der Düse wegbewegt. Es wird auch bevorzugt, die Inkubierung nach der Gelbildung fortzusetzen, um die inhärente Viskosität zu erhöhen und/oder zunehmendes Fibrillenwachstum in der auf diese Weise erzeugten Pulpe zu begünstigen. Bei der bevor zugten Ausführungsform der Erfindung, bei der eine Extrusionsdüse verwendet wird, wird die fortgesetzte Inkubation vorteilhafterweise durchgeführt, nachdem das Gel in Querrichtung geschnitten worden ist, um die Lagerung des inkubierten Materials zu erleichtern.According to a preferred embodiment of the present invention, the orienting flow is produced by extruding the solution through a die to obtain an elongated anisotropic solution mass, the extrusion preferably providing an average shear of less than about 100 sec-1. It is particularly advantageous if the average shear is less than about 50 sec-1. In this embodiment of the invention, the incubation is initially carried out while the elongated solution mass is conveyed away from the die at a speed no less than the speed of the mass exiting the die, the mass preferably being deposited on a generally horizontal surface moving away from the die. It is also preferred to continue incubation after gel formation to increase the inherent viscosity and/or to promote increased fibril growth in the pulp so produced. In the preferred embodiment of the invention using an extrusion die, the continued incubation is advantageously carried out after the gel has been cut transversely to facilitate storage of the incubated material.
Die para-Aramidpulpe wird aus dem quergeschnittenen Gel mit Hilfe beispielsweise eines Tonkneters isoliert, der eine wässrige alkalische Lösung enthält. In dem Kneter wird das Gel neutralisiert und koaguliert und gleichzeitig in der Größe verkleinert, um eine Pulpeaufschlämmung zu erzeugen, aus der die Pulpe leicht gewonnen wird.The para-aramid pulp is isolated from the cross-cut gel by means of, for example, a clay kneader containing an aqueous alkaline solution. In the kneader, the gel is neutralized and coagulated and simultaneously reduced in size to produce a pulp slurry from which the pulp is easily recovered.
Gemäß einer anderen, bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die bei dem Verfahren zu Erzeugung der para- Aramidpulpe eingesetzte Düse eine Fließorientierungsvorrichtung, die einen durch die inneren Oberflächen definierten länglich ausgestreckten Fließweg und eine Schicht eines nichtkoagulierenden Fluids auf den inneren Oberflächen aufweist, um den Kontakt der aktiv polymerisierenden Polymerlösung mit den inneren Oberflächen zu verringern und das Ausbilden von Ablagerungen und Verstopfen des Fließweges zu verhindern. In der erfindungsgemäßen Fließorientierungsvorrichtung sind die Wände, die den länglich ausgestreckten Fließweg im wesentlichen vollständig bilden, porös. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Pulpe direkt ohne Verspinnen aus der Polymensationsreaktionsmischung erzeugt, und spezielle Spinnlösungsmittel sind nicht mehr erforderlich. Bei der am meisten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, bei der das para-Aramid das Homopolymere Poly(p-phenylenterephthalamid) ist, sind die einzigen notwendigen Chemikalien für das Verfahren p-Phenylendiamin, Terephthaloylchlorid und beispielsweise N-Methylpyrrolidon und Calciumchlorid für das Amidlösungsmittelsystem. Das Verfahren ist besonders gut für die kontinuierliche Pulpeerzeugung in einem kommerziellen Maßstab geeigent.According to another preferred embodiment of the invention, the nozzle used in the process for producing the para-aramid pulp is a flow orientation device having an elongated flow path defined by the inner surfaces and a layer of a non-coagulating fluid on the inner surfaces to reduce the contact of the actively polymerizing polymer solution with the inner surfaces and to prevent the formation of deposits and clogging of the flow path. In the flow orientation device according to the invention, the walls which essentially completely form the elongated flow path are porous. In the process according to the invention, the pulp is produced directly from the polymerization reaction mixture without spinning, and special spinning solvents are no longer required. In the most preferred embodiment of the invention, where the para-aramid is the homopolymer poly(p-phenylene terephthalamide), the only chemicals necessary for the process are p-phenylenediamine, terephthaloyl chloride, and, for example, N-methylpyrrolidone and calcium chloride for the amide solvent system. The process is particularly well suited for continuous pulp production on a commercial scale.
Die erfindungsgemäße para-Aramidpulpe besteht im wesentlichen aus pulpeartigen kurzen Fasern, die aus Bündeln von Fibrillen mit einem Submikrondurchmesser aus von Sulfonsäuregruppen freiem para-Aramid aufgebaut sind, und die eine inherente Viskosität zwischen 2,0 und 4,5 und einen Durchmesser zwischen 1 µm und 150 µm und eine Länge zwischen 0,2 mm und 35 mm aufweisen. Die Pulpe hat einen Kristallinitätsindex von weniger als 50, eine Kristallitgröße von weniger als 4 nm (40 Å) und eine Oberfläche von weniger als 2 m²/g. Vorzugsweise bestehen die Submikronfibrillen im wesentlichen aus Poly(p-phenylenterephthalamid). Die nach dem Verfahren her gestellte neue para-Aramidpulpe kann überraschenderweise ähnlich wie Pulpe verwendet werden, die aus ersponnener Faser erzeugt worden ist, obgleich die inhärente Viskosität geringer ist als die von kommerziell aus ersponnener Faser erzeugter Pulpe.The para-aramid pulp of the invention consists essentially of pulp-like short fibers which are made up of bundles of fibrils with a submicron diameter of para-aramid free of sulfonic acid groups and which have an inherent viscosity between 2.0 and 4.5 and a diameter between 1 µm and 150 µm and a length between 0.2 mm and 35 mm. The pulp has a crystallinity index of less than 50, a crystallite size of less than 4 nm (40 Å) and a surface area of less than 2 m²/g. Preferably, the submicron fibrils consist essentially of poly(p-phenylene terephthalamide). The new para-aramid pulp produced by the process can surprisingly be used in a similar way to pulp produced from spun fiber, although the inherent viscosity is lower. than that of pulp produced commercially from spun fibre.
Die Fig. 1 erläutert diagrammartig ein bevorzugtes Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung;Figure 1 diagrammatically illustrates a preferred method according to the present invention;
die Fig. 2 ist eine teilweise weggebrochene Teilquerschnittsansicht einer bevorzugten Fließorientierungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;Figure 2 is a partially broken away, partial cross-sectional view of a preferred flow orientation device according to the present invention;
die Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht der Vorrichtung von Fig. 2 entlang der Linie 3-3.Figure 3 is a cross-sectional view of the device of Figure 2 taken along line 3-3.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird para-Aramidpulpe erzeugt. Der in der vorliegenden Beschreibung verwendete Ausdruck para-Aramid soll sich auf para-orientierte vollständig aromatische Polycarbonamidpolymere und -copolymere beziehen, die im wesentlichen aus Wiederholungseinheiten der Formel The process of the invention produces para-aramid pulp. The term para-aramid as used in the present specification is intended to refer to para-oriented wholly aromatic polycarbonamide polymers and copolymers consisting essentially of repeating units of the formula
bestehen, in welcher AR&sub1; und AR, die gleich oder verschieden sein können, zweiwertige para-orientierte aromatische Reste bedeuten. Mit dem Ausdruck para-orientiert ist gemeint, daß die kettenverlängernden Bindungen der aromatischen Reste entweder coaxial oder parallel und entgegengesetzt gerichtet sind, beispielsweise substituierte oder nichtsubstituierte aromatische Reste einschließlich 1,4-Phenylen, 4,4'-Biphenylen, 2,6-Naphthylen und 1,5-Naphthalen. Die Substituenten an den aromatischen Resten sollten nicht reaktiv sein und dürfen, wie dies nachfolgend klar wird, die Eigenschaften des Polymeren für die Zwecke der Durchführung der vorliegenden Erfindung nicht nachteilig beeinflussen. Beispiele für geeignete Sub stituenten sind Chlor-, Niederalkyl- und Methoxygruppen. Wie sich auch noch zeigen wird, soll der Ausdruck para-Aramid para-Aramidcopolymere von 2 oder mehreren para-orientierten Comonomeren einschließlich geringer Mengen von Comonomeren umfassen, bei denen die Säure- und Aminfunktion an derselben aromatischen Spezies nebeneinander existieren, beispielsweise von Copolymeren, die aus Reaktionsteilnehmern, wie z.B. 4- Aminobenzoylchloridhydrochlorid, 6-Amino-2-naphthoylchloridhydrochlond und dergleichen, hergestellt worden sind. Darüber hinaus soll der Ausdruck para-Aramid auch Copolymere umfassen, die geringe Mengen an Comonomeren enthalten, die aromatische Reste aufweisen, die nicht para-orientiert sind, wie zum Beispiel m-Phenylen und 3,4'-Biphenylen.in which AR₁ and AR, which may be the same or different, are divalent para-oriented aromatic radicals. By the term para-oriented is meant that the chain-extending bonds of the aromatic radicals are either coaxial or parallel and oppositely directed, for example substituted or unsubstituted aromatic radicals including 1,4-phenylene, 4,4'-biphenylene, 2,6-naphthylene and 1,5-naphthalene. The substituents on the aromatic radicals should be non-reactive and, as will become clear below, must not adversely affect the properties of the polymer for the purposes of carrying out the present invention. Examples of suitable substituents are chloro, lower alkyl and methoxy groups. As will also be shown, the term para-aramid is intended to mean para-aramid copolymers of 2 or more para-oriented Comonomers including minor amounts of comonomers in which the acid and amine functions coexist on the same aromatic species, for example copolymers prepared from reactants such as 4-aminobenzoyl chloride hydrochloride, 6-amino-2-naphthoyl chloride hydrochloride, and the like. In addition, the term para-aramid is also intended to encompass copolymers containing minor amounts of comonomers having aromatic moieties which are not para-oriented, such as m-phenylene and 3,4'-biphenylene.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von para- Aramidpulpe umfaßt das in Berührungbringen von im allgemeinen stoichiometrischen Mengen von aromatischem Diamin, das im wesentlichen aus para-orientiertem aromatischem Diamin besteht, und von aromatischem Disäurehalogenid, daß im wesentlichen aus para-orientiertem aromatischem Disäurehalogenid besteht, in einem Amidlösungsmittelsystem, um ein Polymeres oder Copolymeres gemäß der Formel I oben zu erzeugen. Der Ausdruck "bestehend im wesentlichen aus" wird hier in dem Sinne verwendet, daß geringe Mengen von aromatischen Diaminen und Disäurehalogeniden, die nicht para-orientiert sind, und von para-orientierten aromatischen Aminosäurehalogeniden verwendet werden können, vorausgesetzt, daß sich die Eigenschaften des erhaltenen Polymeren für die Durchführung der Erfindung nicht wesentlich ändern. Die aromatischen Diamine und aromatischen Disäurehalogenide und para-orientierten aromatischen Aminosäurehalogenide, die im Rahmen der Erfindung eingesetzt werden, müssen derart sein, daß das erhaltene Polymere die typischen Eigenschaften eines para-Aramids aufweist und in der für das Verfahren der Erfindung erforderlichen Weise eine optisch anisotrope Lösung bildet und die Polymerisationslösung zum Gelieren bringt, wenn die inhärente Viskosität des Polymeren zwischen 1 und 4 liegt.The process of the present invention for producing para-aramid pulp comprises contacting generally stoichiometric amounts of aromatic diamine consisting essentially of para-oriented aromatic diamine and aromatic diacid halide consisting essentially of para-oriented aromatic diacid halide in an amide solvent system to produce a polymer or copolymer according to formula I above. The term "consisting essentially of" is used herein to mean that minor amounts of aromatic diamines and diacid halides which are not para-oriented and of para-oriented aromatic amino acid halides may be used, provided that the properties of the resulting polymer are not substantially altered for the practice of the invention. The aromatic diamines and aromatic diacid halides and para-oriented aromatic amino acid halides used in the invention must be such that the polymer obtained has the typical properties of a para-aramid and forms an optically anisotropic solution as required by the process of the invention and causes the polymerization solution to gel when the inherent viscosity of the polymer is between 1 and 4.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bestehen wenigstens etwa 80 Molprozent des aromatischen Diamins aus p-Phenylendiamin und wenigstens 80 Molprozent des aromatischen Disäurehalogenids aus Terephthaloylhalogenid, beispielsweise Terephthaloylchlorid. Der Rest des aromatischen Diamins kann durch andere para-orientierte Diamine gebildet werden, einschließlich beispielsweise durch 4,4'-Diaminobiphenyl, 2-Methyl-p-phenylendiamin, 2-Chlor-p-phenylendiamin, 2,6-Naphthalindiamin, 1,5-Naphthalindiamin, 4,4'-Diaminobenzanilid und dergleichen. Ein oder mehrere dieser para-orientierten Diamine können in Mengen bis zu etwa 20 Molprozent zusammen mit dem p-Phenylendiamin eingesetzt werden. Der Rest des aromatischen Diamins kann Diamine umfassen, die nicht para-orientiert sind, wie z.B. m-Phenylendiamin, 3,3'-Diaminobiphenyl, 3,4'-Diaminobiphenyl, 3,3'-Oxydiphenylendiamin, 3,4'-Oxydiphenylendiamin, 3,3'-Sulfonyldiphenylendiamin, 3,4'-Sulfonyldiphenylendiamin, 4,4'-Oxydiphenylendiamin, 4,4'- Sulfonyldiphenylendiamin und dergleichen, obgleich es typischerweise notwendig ist, die Menge solcher Coreaktanten auf etwa 5 Molprozent zu beschränken.According to a preferred embodiment of the invention, at least about 80 mole percent of the aromatic diamine of p-phenylenediamine and at least 80 mole percent of the aromatic diacid halide of terephthaloyl halide, e.g., terephthaloyl chloride. The remainder of the aromatic diamine may be other para-oriented diamines including, for example, 4,4'-diaminobiphenyl, 2-methyl-p-phenylenediamine, 2-chloro-p-phenylenediamine, 2,6-naphthalenediamine, 1,5-naphthalenediamine, 4,4'-diaminobenzanilide, and the like. One or more of these para-oriented diamines may be used in amounts up to about 20 mole percent with the p-phenylenediamine. The remainder of the aromatic diamine may include diamines which are not para-oriented, such as m-phenylenediamine, 3,3'-diaminobiphenyl, 3,4'-diaminobiphenyl, 3,3'-oxydiphenylenediamine, 3,4'-oxydiphenylenediamine, 3,3'-sulfonyldiphenylenediamine, 3,4'-sulfonyldiphenylenediamine, 4,4'-oxydiphenylenediamine, 4,4'-sulfonyldiphenylenediamine, and the like, although it is typically necessary to limit the amount of such coreactants to about 5 mole percent.
In ähnlicher Weise kann das restliche Disäurehalogenid aus para-orientierten Säurehalogenid aus para-orientierten Säurehalogeniden gebildet werden, wie zum Beispiel 4,4'-Dibenzoylchlorid, 2-Chlorterephthaloylchlorid, 2,5-Dichlorterephthaloylchlorid, 2-Methylterephthaloylchlorid, 2,6-Naphthalindicarbonsäurechlorid, 1,5-Naphthalindicarbonsäurechlorid und dergleichen. Eines oder Mischungen von diesen paraorientierten Säurehalogeniden kann in Mengen von bis zu etwa 20 Molprozent zusammen mit Terephthaloylchlorid eingesetzt werden. Andere Disäurehalogenide, die nicht para-orientiert sind, können in Mengen eingesetzt werden, die normalerweise etwa 5 Molprozent nicht wesentlich übersteigen, wie zum Beispiel Isophthaloylchlorid, 3,3'-Dibenzoylchlorid, 3,4'- Dibenzoylchlorid, 3,3 '-Oxydibenzoylchlorid, 3,4'-Oxydibenzoylchlorid, 3,3'-Sulfonyldibenzoylchlorid, 3,4'-Sulfonyldibenzoylchlorid, 4,4'-Oxydibenzoylchlorid, 4,4'-Sulfonyldibenzoylchlorid und dergleichen.Similarly, the remaining diacid halide can be formed from para-oriented acid halides such as 4,4'-dibenzoyl chloride, 2-chloroterephthaloyl chloride, 2,5-dichloroterephthaloyl chloride, 2-methylterephthaloyl chloride, 2,6-naphthalenedicarboxylic acid chloride, 1,5-naphthalenedicarboxylic acid chloride, and the like. One or mixtures of these para-oriented acid halides can be used in amounts of up to about 20 mole percent together with terephthaloyl chloride. Other diacid halides that are not para-oriented may be used in amounts that normally do not significantly exceed about 5 mole percent, such as isophthaloyl chloride, 3,3'-dibenzoyl chloride, 3,4'-dibenzoyl chloride, 3,3'-oxydibenzoyl chloride, 3,4'-oxydibenzoyl chloride, 3,3'-sulfonyldibenzoyl chloride, 3,4'-sulfonyldibenzoyl chloride, 4,4'-oxydibenzoyl chloride, 4,4'-sulfonyldibenzoyl chloride, and the like.
Um es nochmal zu sagen, bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung können bis zu 20 Molprozent para-orientierte aromatische Aminosäurehalogenide verwendet werden.To reiterate, in the preferred embodiment of the invention, up to 20 mole percent of para-oriented aromatic amino acid halides may be used.
Bei der am meisten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird p-Phenylendiamin mit Terephthaloylchlorid unter Herstellung des Homopolymeren Poly (p-phenylenterephthalamid) umgesetzt.In the most preferred embodiment of the invention, p-phenylenediamine is reacted with terephthaloyl chloride to produce the homopolymer poly(p-phenylene terephthalamide).
Das aromatische Diamin und das aromatische Disäurehalogenid werden in einem Amidlösungsmittelsystem umgesetzt, vorzugsweise durch Anwendung von Niedertemperatur-Lösungspolymerisationsverfahren (d.h. unter 60ºC), die ähnlich denjenigen sind, die von Kwolek et al. in der US-A-3 063 966 zur Herstellung von Poly(p-phenylenterephthalamid) und von Blades in der US-A-3 869 429 angegeben werden. Geeignete Amidlösungsmittel oder Mischungen von solchen Lösungsmitteln umfassen N- Methylpyrrolidon (NMP), Dimethylacetamid und Tetramethylharnstoff, enthaltend ein Alkalimetallhalogenid. Besonders bevorzugt sind NMP und Calciumchlorid, wobei der prozentuale Anteil des Calciumchlorids in dem Lösungsmittel 4-9% beträgt, bezogen auf das Gewicht des NMP.The aromatic diamine and aromatic diacid halide are reacted in an amide solvent system, preferably using low temperature solution polymerization techniques (i.e., below 60°C) similar to those taught by Kwolek et al. in U.S. Patent No. 3,063,966 for the preparation of poly(p-phenylene terephthalamide) and by Blades in U.S. Patent No. 3,869,429. Suitable amide solvents or mixtures of such solvents include N-methylpyrrolidone (NMP), dimethylacetamide, and tetramethylurea containing an alkali metal halide. Particularly preferred are NMP and calcium chloride, with the percentage of calcium chloride in the solvent being 4-9% based on the weight of the NMP.
Erfindungsgemäß wird die Niedertemperatur-Lösungspolymerisation vorzugsweise so durchgeführt, daß zunächst eine gekühlte Lösung des Diamins in dem das Alkalimetallhalogenid enthaltenden Amidlösungsmittel hergestellt wird. Zu dieser Lösung wird das Disäurehalogenid vorzugsweise in zwei Stufen hinzugefügt. In der ersten Stufe wird das Disäurehalogenid der auf zwischen 0ºC und 20ºC gekühlten Diaminlösung hinzugefügt, wobei das Molverhältnis von Säurehalogenid zu Diamin zwischen 0,3 und 0,5 liegt. Die erhaltene niedermolekulare "Pre-Polymer"-Lösung wird dann zur Entfernung von Reaktionswärme gekühlt. In der zweiten Stufe wird das restliche Säurehalogenid der Pre-Polymer-Lösung unter Rühren und Kühlen der Lösung, falls gewünscht, hinzugefügt. Bei einem kontinuierlichen Verfahren wird für das Einmischen des Säurehalogenids in die Pre- Polymer-Lösung vorteilhäfterweise ein Mischer verwendet, wie er in der US-A-3 849 074 offenbart ist. Die zweite Stufe der Polymerisation wird geeigneterweise in einem kontinuierlichen Mischer, dessen sämtliche Oberflächen abgestreift werden, durchgeführt, während die Reaktionsmischung zur Kontrollierung der Reaktionsgeschwindigkeit gekühlt wird. Die Reaktionsmischung ist, wie aus dem Stand der Technik bekannt, empfindlich gegenüber Feuchtigkeit, und es wünschenswert, die Einwirkung von feuchter Luft oder anderen Wasserquellen einzuschränken.According to the invention, the low temperature solution polymerization is preferably carried out by first preparing a cooled solution of the diamine in the amide solvent containing the alkali metal halide. To this solution the diacid halide is preferably added in two stages. In the first stage the diacid halide is added to the diamine solution cooled to between 0°C and 20°C, the molar ratio of acid halide to diamine being between 0.3 and 0.5. The resulting low molecular weight "pre-polymer" solution is then cooled to remove heat of reaction. In the second stage the remaining acid halide is added to the pre-polymer solution while stirring and cooling the solution if desired. In a continuous process, for mixing the acid halide into the pre- Polymer solution advantageously uses a mixer such as that disclosed in US-A-3 849 074. The second stage of polymerization is suitably carried out in a continuous mixer, all surfaces of which are scraped, while the reaction mixture is cooled to control the rate of reaction. The reaction mixture is sensitive to moisture, as is known in the art, and it is desirable to limit exposure to moist air or other water sources.
Für das erfindungsgemäße Verfahren ist es wünschenswert, eine sorgfältig kontrollierte Reaktionsgeschwindigkeit wenigstens nach dem Zeitpunkt zu erreichen, nach dem die inhärente Viskosität den Wert 1,0 erreicht hat. Für eine zufriedenstellende Polymerisation sind im allgemeinen keine Polymerisationskatalysatoren erforderlich, und sie sollten auch nicht verwendet werden, wenn sie die Kontrolle der Reaktionsgeschwindigkeit schwieriger machen. Dennoch muß die Reaktionsgeschwindigkeit ausreichend hoch sein, damit die Lösung innerhalb einer annehmbaren Zeit geliert, nachdem sie dem orientierenden Fließen unterzogen worden ist, sodaß die Orientierung, wie dies nachfolgend deutlicher wird, nicht vor dem Gelieren verloren geht, jedoch sollte sie nicht so hoch sein, daß eine angemessene Kontrolle der Reaktion verhindert wird. Typische Reaktionsgeschwindigkeiten können derart sein, daß ein Zeitraum in der Größenordnung von 1 bis 10 Minuten erforderlich ist, damit die sorgfältig gemischte flüssige Lösung, die alle Reaktionsteilnehmer enthält, zu einem "weichen" Gel geliert. Bei einem kontinuierlichen Verfahren, bei dem zur Durchführung der Polymerisation ein Mischer verwendet wird, dessen gesamte Oberflächen abgestreift werden, kann die Kontrollierung der Reaktion einer Lösung mit einer bestimmten Konzentration an Reaktionsteilnehmern dadurch erfolgen, daß die Haltezeit im Mischer und/oder die Temperatur der Lösung entsprechend reguliert wird.For the process of the invention, it is desirable to achieve a carefully controlled reaction rate at least after the inherent viscosity has reached 1.0. Polymerization catalysts are generally not required for satisfactory polymerization, and they should not be used if they make controlling the reaction rate more difficult. Nevertheless, the reaction rate must be sufficiently high to cause the solution to gel within a reasonable time after undergoing orientational flow so that, as will become more apparent below, orientation is not lost prior to gelation, but should not be so high as to prevent adequate control of the reaction. Typical reaction rates may be such that a period of time on the order of 1 to 10 minutes is required for the carefully mixed liquid solution containing all of the reactants to gel into a "soft" gel. In a continuous process, in which a mixer whose entire surfaces are wiped is used to carry out the polymerization, the reaction of a solution containing a certain concentration of reactants can be controlled by regulating the holding time in the mixer and/or the temperature of the solution.
Wie nachfolgend noch deutlicher werden wird, werden bei der Polymerisation ausreichende Mengen an dem Diamin und der Disäure eingesetzt, damit die Konzentration an Polymerem in der sich ergebenden aktiv-polymerisierenden Lösung derart ist, daß die Lösung nach Fließorientierung anisotrop wird und letztlich durch fortgesetzte Polymerisation ein Gel bildet. Jedoch sollten im allgemeinen die Löslichkeitsgrenzen der Reaktionsteilnehmer in dem Lösungsmittelsystem nicht überschritten werden. Vorzugsweise werden Mengen an Diamin und Disäure eingesetzt, die zu einer Polymerkonzentration von zwischen 6 Gewichtsprozent und 13 Gewichtsprozent führen.As will become more apparent below, sufficient amounts of the diamine and diacid are used in the polymerization so that the concentration of polymer in the resulting actively polymerizing solution is such that the solution becomes anisotropic after flow orientation and ultimately forms a gel by continued polymerization. However, in general the solubility limits of the reactants in the solvent system should not be exceeded. Preferably amounts of diamine and diacid are used which result in a polymer concentration of between 6% and 13% by weight.
Wenn die inhärente Viskosität des para-Aramidpolymeren zwischen 1 und 4, vorzugsweise zwischen 2 und 3,5, liegt, und während die Reaktion noch andauert, wird die Lösung einem orientierenden Fließen unterzogen, was zu einer anisotropen Lösung führt, in der Domänen von Polymerketten in Richtung des Fließens orientiert sind. Für diesen Verfahrensschritt ist es vorteilhaft, die aktiv-polymerisierende Lösung aus der Poly merisiervorrichtung in eine Vorrichtung zu überführen, die dazu dient, die Lösung einem orientierenden Fließen zu unterwerfen. Da die Lösung während der Überführung weiter polymensiert, sollte mit der Überführung ausreichend früh begonnen werden, damit die inhärente Viskosität der Lösung in dem richtigen Bereich liegt, wenn sie dem orientierenden Fließen unterworfen wird. Darüberhinaus ist es im allgemeinen wünschenswert, mit der Überführung früh zu beginnen, so daß die endgültige inhärente Viskosität der Pulpe 4,5 nicht übersteigt, da die Pulpefasern sonst dicker und größer werden, und das Verhältnis von Länge zu Durchmesser der Pulpe (LID) verringert wird. Für erfindungsgemäße kontinuierliche Verfahren ist es wünschenswert, daß die für die Fließvorrichtung eingesetzte Vorrichtung eng an die Polymerisiervorrichtung gekoppelt ist und die Lösung direkt aus der Polymerisiervor richtung erhält, um die Größe und Anzahl von Oberflächen, die mit der Lösung in Berührung kommen, und auf denen sich Ablagerungen bilden könnten, so gering wie möglich zu halten.When the inherent viscosity of the para-aramid polymer is between 1 and 4, preferably between 2 and 3.5, and while the reaction is still ongoing, the solution is subjected to orientational flow, resulting in an anisotropic solution in which domains of polymer chains are oriented in the direction of flow. For this process step, it is advantageous to transfer the actively polymerizing solution from the polymerizing device to a device designed to subject the solution to orientational flow. Since the solution continues to polymerize during the transfer, the transfer should be started sufficiently early so that the inherent viscosity of the solution is in the correct range when it is subjected to orientational flow. Moreover, it is generally desirable to start the transfer early so that the final inherent viscosity of the pulp does not exceed 4.5, otherwise the pulp fibers will become thicker and larger, and the length to diameter ratio of the pulp (LID) will be reduced. For continuous processes according to the invention, it is desirable that the device used for the flow device be closely coupled to the polymerizer and receive the solution directly from the polymerizer in order to minimize the size and number of surfaces that come into contact with the solution and on which To keep the risk of deposits forming as low as possible.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die aktiv polymerisierende Lösung einem orientierenden Fließen unterzogen, wenn die Lösung eine Flüssigkeit ist. Spätestens am Ende dieser Stufe ist die flüssige Lösung optisch anisotrop, d.h., mikroskopische Domänen der Lösung sind doppelbrechend und eine Massenprobe der Lösung depolarisiert in der Ebene polarisiertes Licht, da sich die Lichttransmissionseigen schaften der Lösung mit der Richtung ändern. Die Ausrichtung der Polymerketten innerhalb der Domänen ist für die Lichttransmissionseigenschaften der Lösung verantwortlich. Sobald die aktiv-polymerisierende Lösung dem orientierten Fließen unterworfen wird, werden die Polymerketten in der Lösung in Richtung des Fließens orientiert.According to the method of the invention, the actively polymerizing solution is subjected to orientational flow if the solution is a liquid. At the end of this stage at the latest, the liquid solution is optically anisotropic, i.e., microscopic domains of the solution are birefringent and a bulk sample of the solution depolarizes in-plane polarized light, since the light transmission properties of the solution change with direction. The orientation of the polymer chains within the domains is responsible for the light transmission properties of the solution. As soon as the actively polymerizing solution is subjected to orientational flow, the polymer chains in the solution are oriented in the direction of flow.
Um ein orientierendes Fließen zu erzeugen, wird die Lösung einem Fließen unter im allgemeinen laminaren Fließbedingungen unterworfen, bei denen die Lösung einer Scherung oder einer Dehnungsströmung bzw. Streckungsströmung ausgesetzt. Während das orientierende Fließen auf vielen verschiedenen Wegen erzeugt werden kann, wird die Extrudierung durch eine Düse zur Bildung einer länglich ausgestreckten Lösungsmasse bevorzugt, da der Einsatz einer Düse es gestattet, daß das Verfahren auf einer kontinuierlichen Basis durchgeführt wird. -To produce orienting flow, the solution is subjected to flow under generally laminar flow conditions in which the solution is subjected to shear or elongational flow. While orienting flow can be produced in many different ways, extrusion through a die to form an elongated mass of solution is preferred because the use of a die allows the process to be carried out on a continuous basis. -
Wie nachfolgend noch deutlicher werden wird, wird vorzugsweise eine Düse eingesetzt, die Scherfließbedingungen erzeugt, die die Lösung einer mittleren Scherung von weniger als etwa 100 sec&supmin;¹ unterwerfen. Der Ausdruck "mittlere Scherung", wie er hier verwendet wird, soll die integrierte durchschnittliche Scherung bezeichnen. Eine niedrige mittlere Scherung ist vorteilhaft, da die Geschwindigkeit der aus der Düse extrudierten Lösung klein sein kann, und es wird ein weiterer Vorteil erzielt, wenn die mittlere Scherung weniger als etwa 50 sec&supmin;¹ beträgt.As will become more apparent below, it is preferred to use a nozzle that creates shear flow conditions that subject the solution to an average shear of less than about 100 sec-1. The term "average shear" as used herein is intended to mean the integrated average shear. A low average shear is advantageous because the velocity of the solution extruded from the nozzle can be low, and further advantage is achieved when the average shear is less than about 50 sec-1.
Wie nachfolgend noch detaillierter erklärt werden wird, ist die Gestalt der Lösungsmasse vorzugsweise derart, daß sie nach ihrer Bildung im allgemeinen nicht fließt. Um die Durchführung der Erfindung für Massenproduktion kontinuierlich zu erleichtern, erzeugt die Düse eine länglich ausgestreckte Lösungsmasse, deren Breite beträchtlich größer ist als ihre Dicke. Vorzugsweise sorgt die Düse für einen im wesentlichen linearen Fließweg und umfaßt ein Verteilerstück, welches eine im allgemeinen gleichförmige Strömung über die Breite der Düse hinweg erzeugt.As will be explained in more detail below, the shape of the solution mass is preferably such that it is generally non-flowing after it is formed. To facilitate the practice of the invention for mass production on a continuous basis, the nozzle produces an elongated solution mass whose width is considerably greater than its thickness. Preferably, the nozzle provides a substantially linear flow path and includes a manifold which produces a generally uniform flow across the width of the nozzle.
Bei der am meisten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als Düse eine Fließorientierungsvorrichtung eingesetzt, die innere Oberflächen besitzt, die einen länglich ausgestreckten Fließweg definieren. Auf den inneren Oberflächen ist für eine Schicht aus nichtkoagulierendem Fluid gesorgt, um den Kontakt der flüssigen Polymerlösung mit den inneren Oberflächen zu verringern. Da die aktivpolymerisierende Lösung die Neigung hat, sich abzusetzen und eine Extrudierungsdüse zu verstopfen, ist diese Ausführungsform der Erfindung besonders für die kontinuierliche Produktion von Pulpe geeignet, da mit ihr Ablagerungen im Strömungsweg auf einem Minimum gehalten werden können und sie dazu beiträgt, daß das Verfahren längere Zeiträume ohne Unterbrechung laufen kann.In the most preferred embodiment of the process of the invention, the die is a flow orienting device having internal surfaces defining an elongated flow path. A layer of non-coagulating fluid is provided on the internal surfaces to reduce contact of the liquid polymer solution with the internal surfaces. Since the actively polymerizing solution has a tendency to settle and clog an extrusion die, this embodiment of the invention is particularly suitable for continuous pulp production as it can minimize deposits in the flow path and help to enable the process to run for extended periods without interruption.
Das nichtkoagulierende Fluid kann eine Flüssigkeit oder ein Gas sein, das die Lösung nicht koaguliert und die Pulpeausbeute und -qualität nicht nachteilig beeinflußt. Zur Erleichterung der Erzeugung und Kontrollierung der Schicht aus nichtkoagulierendem Fluid wird vorzugsweise ein flüssiges nichtkoagulierendes Fluid verwendet, und es ist besonders günstig, das gleiche flüssige Lösungsmittelsystem zu verwenden, das in der aktiv-polymerisierenden Lösung verwendet wird, oder eine flüssige Komponente des Lösungsmittelsystems für die aktiv-polymerisierende Lösung, so daß keine neue Flüssigkeit in das Verfahren eingeführt wird, die die Komplexität der Lösungsmittelwiedergewinnung erhöhen würde. Wenn beispielsweise NMP und Calciumchlorid das Lösungsmittelsystem bilden, können vorteilhafterweise als nichtkoagulierendes Fluid NMP und Calciumchlorid, oder, wegen der Abwesenheit von Salz, auch besser NMP alleine eingesetzt werden.The non-coagulating fluid may be a liquid or a gas which does not coagulate the solution and does not adversely affect pulp yield and quality. To facilitate the generation and control of the layer of non-coagulating fluid, a liquid non-coagulating fluid is preferably used, and it is particularly convenient to use the same liquid solvent system used in the actively polymerizing solution or a liquid component of the solvent system for the actively polymerizing solution so that no new liquid is introduced into the process which increases the complexity the solvent recovery. For example, when NMP and calcium chloride form the solvent system, NMP and calcium chloride can advantageously be used as the non-coagulating fluid, or, due to the absence of salt, NMP alone can also be used.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist die Schicht des nichtkoagulierenden Fluids ausreichend dick und kontinuierlich, damit eine schmierende "Grenz"-Schicht zwischen den inneren Oberflächen der Vorrichtung und der Lösung gebildet und aufrechterhalten wird, was die Bildung von Ablagerungen auf einem Minimum hält. Der Querschnitt des Strömungsweges der Fließorientierungsvorrichtung nimmt von ihrem Einlaß zu ihrem Auslaß hin ab. Wegen des Schmiermitteleffektes der Schicht des nichtkoagulierenden Fluids auf den inneren Oberflächen, die den Strömungsweg definieren, erfolgt die Orientierung der Lösung beim Hindurchlaufen durch die Vorrichtung in erster Linie wegen der Streckungsströmung. Die der in der Vorrichtung erzeugte Streckungsgrad ist groß genug, um die zur Herstellung von Pulpe in der anisotropen Lösung notwendige Orientierung zu erzeugen. Extrem hohe Streckungsgrade sind nicht notwendig und sollten normalerweise vermieden werden, da sie die Komplexität des angewandten Verfahrens und der eingesetzten Vorrichtung erhöhen.In the process of the invention, the layer of non-coagulating fluid is sufficiently thick and continuous to form and maintain a lubricating "boundary" layer between the internal surfaces of the device and the solution, which minimizes the formation of deposits. The cross-section of the flow path of the flow orientation device decreases from its inlet to its outlet. Because of the lubricating effect of the layer of non-coagulating fluid on the internal surfaces defining the flow path, orientation of the solution as it passes through the device is primarily due to the stretch flow. The degree of stretch created in the device is large enough to create the orientation necessary to produce pulp in the anisotropic solution. Extremely high degrees of stretch are not necessary and should normally be avoided as they increase the complexity of the process and apparatus employed.
Diebevorzugte Vorrichtung der Erfindung erzeugt die Schicht aus nichtkoagulierendem Fluid auf den inneren Oberflächen, indem poröse Wände verwendet werden, die im wesentlichen den gesamten in der Länge ausgestreckten Strömungsweg für die Lösung definieren. Das nichtkoagulierende Fluid wird gezwungen, durch die porösen Wände auszutreten, in dem es unter Druck zu einer Leitung gepumpt wird, die in Fluid- Verbindung mit den äußeren Oberflächen der porösen Wände steht. Um ein Verstopfen der Poren der porösen Wände zu verhindern, ist es notwendig, daß der Druck des nichtkoagulierenden Fluids über dem Druck der sich durch den Strömungsweg bewegenden Lösung liegt. Es ist wünschenswert, daß die Porengröße der Porenwände ausreichend klein sind, damit nicht mehr nichtkoagulierendes Fluid in die aktiv-polymerisierende Lösung gelangt als erforderlich ist, um die Abscheidungen in wirksamer Weise zu verringern. Die porösen Wände können ge eigneterweise aus gesintertem Metall, beispielsweise aus rostfreiem Stahl 316, oder aus Porzellan hergestellt werden, welche gegenüber einem chemischen Angriff der Lösung beständig sind, und vorzugsweise einen Strömungsweg mit einem linear sich verjüngenden, im allgemeinen rechteckigen Querschnitt definieren.The preferred apparatus of the invention creates the layer of non-coagulating fluid on the interior surfaces by using porous walls which define substantially the entire elongated flow path for the solution. The non-coagulating fluid is forced to exit through the porous walls by being pumped under pressure to a conduit which is in fluid communication with the exterior surfaces of the porous walls. To prevent clogging of the pores of the porous walls, it is necessary that the pressure of the non-coagulating fluid be above the pressure of the solution moving through the flow path. It is desirable that the The pore size of the pore walls is sufficiently small so that no more non-coagulating fluid enters the actively polymerizing solution than is necessary to effectively reduce the deposits. The porous walls may conveniently be made of sintered metal, such as 316 stainless steel, or porcelain, which are resistant to chemical attack by the solution, and preferably define a flow path having a linearly tapered, generally rectangular cross-section.
Wenn gemäß der Erfindung eine Extrusionsdüse, wie zum Beispiel die Fließorientierungsvorrichtung, eingesetzt wird, wird die erhaltene ausgestreckte Polymerlösungsmasse, die aus der Düse extrudiert wird, vorzugsweise mit einer Geschwindigkeit von der Düse wegbefördert, die nicht geringer ist als die Geschwindigkeit der aus der Düse austretenden Masse. Dies kann in vorteilhafter Weise dadurch erfolgen, daß die ausgestreckte Masse auf eine sich bewegende, im allgemeinen horizontale Oberfläche, wie beispielsweise ein Förderband, abgelegt wird. Da die Lösung noch einer Flüssigkeit ist, sollte die Lösungsmasse mit einer Geschwindigkeit wegbewegt werden, die wenigstens der Geschwindigkeit der aus der Düse austretenden Masse entspricht, so daß die Orientierung innerhalb der Masse aufrechterhalten bleibt. Es ist auch notwendig, daß -das auf das Förderband fließende Material nicht durch eine zu hohe Förderbandgeschwindigkeit unterbrochen wird, was sich nachteilig auf die Pulpequalität auswirken kann. Die Düse sollte so in Relation zu dem Förderband angeordnet sein, daß nur ein minimaler "freier Fall" der Lösungsmasse aus der Düse auf das Förderband erfolgt, der die Orientierung der Polymerketten stören könnte.When an extrusion die, such as the flow orientation device, is used according to the invention, the resulting stretched polymer solution mass extruded from the die is preferably conveyed away from the die at a speed not less than the speed of the mass exiting the die. This can be advantageously done by depositing the stretched mass on a moving, generally horizontal surface, such as a conveyor belt. Since the solution is still a liquid, the solution mass should be moved away at a speed at least equal to the speed of the mass exiting the die, so that orientation within the mass is maintained. It is also necessary that the material flowing onto the conveyor belt is not interrupted by too high a conveyor belt speed, which can have a detrimental effect on pulp quality. The nozzle should be positioned in relation to the conveyor belt so that only a minimal "free fall" of the solution mass from the nozzle onto the conveyor belt occurs, which could disturb the orientation of the polymer chains.
Bei der bevorzugten Düse, die einen linearen Strömungsweg durch die Düse definiert, ist der Winkel des Düsenströmungsweges in Bezug auf das Förderband derart, daß die Masse auf dem Förderband sauber abgesetzt wird ohne daß externe Teile der Düse, die der Düse benachbart sind, durch die Lösung benetzt werden. Um die Lösung sauber auf dem Förderband abzusetzen, sollte der Winkel zwischen der Förderbandoberfläche und dem Fließweg im allgemeinen zwischen 90º und 165º liegen. Während der Strömungsorientierung sollte die Temperatur zwischen 5ºC und 60ºC gehalten werden, so daß die Polymerisationsreaktion fortschreitet, vorzugsweise, wie zuvor beschrieben, mit einer kontrollierten hohen Geschwindigkeit.In the preferred nozzle, which defines a linear flow path through the nozzle, the angle of the nozzle flow path with respect to the conveyor belt is such that the mass is deposited cleanly on the conveyor belt without external parts the nozzle adjacent to the nozzle are wetted by the solution. To deposit the solution cleanly on the conveyor belt, the angle between the conveyor belt surface and the flow path should generally be between 90º and 165º. During flow orientation, the temperature should be maintained between 5ºC and 60ºC so that the polymerization reaction proceeds, preferably at a controlled high rate as previously described.
Bei dem Verfahren wird die während der Fließorientierung orientierte anisotrope Lösung inkubiert, um die Polymerisation für wenigstens einen Zeitraum zur Fortsetzung zu bringen, der ausreichend ist, damit die Lösung ein Gel wird. Mit dem Ausdruck "Inkubieren" soll die Aufrechterhaltung der Bedingungen gemeint sein, die zu einer fortgesetzten Polymerisation und/oder einem Fibrillenwachstum führen, und die die Orientierung der orientierten anisotropen Lösung aufrechterhalten. Wie später noch deutlich werden wird, können die Inkubationsbedingungen variiert werden, wenn die Inkubation fortschrei tet.The method comprises incubating the anisotropic solution oriented during flow orientation to cause polymerization to continue for at least a period of time sufficient for the solution to become a gel. By the term "incubating" is meant maintaining conditions that result in continued polymerization and/or fibril growth and that maintain the orientation of the oriented anisotropic solution. As will become apparent later, the incubation conditions may be varied as incubation proceeds.
Es wird mit der Inkubation begonnen, wenn die Viskosität der Lösung zwischen 5 und 50 Pa s (50 und 500 Poise) liegt und ausreichend ist, um im allgemeinen die Orientierung der Polymerketten in der anisotropen Lösung aufrechtzuerhalten, bis die flüssige Lösung ein Gel wird. Die Viskosität der aktiv-polymerisierenden Lösung liegt deshalb in einem solchen Bereich, daß die Orientierung der Polymerketten in Lösung nicht wesentlich nachläßt, bevor die Lösung geliert. Die Viskosität kann am Beginn der Inkubation innerhalb eines Bereichs variieren, der von der Konzentration des Polymeren in der Lösung und von der inhärenten Viskosität des Polymeren in der Lösung abhängt. Es wird angenommen, daß ein geeigneter Viskositätsbereich am Beginn der Inkubation im allgemeinen der Viskosität einer Poly(p-phenylenterephthalamid) /NMP-CaCl- Lösung entspricht, die eine Polymerkonzentration von zwischen 6 und 13% aufweist, wobei die inhärente Viskosität der Polymeren im Bereich von 2 bis 4 liegt. Vorzugsweise fallen die Lösungsviskositäten am Beginn der Inkubation in den Bereich von 15 bis 50 Pa s (150 bis 500 Poise).Incubation is started when the viscosity of the solution is between 5 and 50 Pa s (50 and 500 poise) and is sufficient to generally maintain the orientation of the polymer chains in the anisotropic solution until the liquid solution becomes a gel. The viscosity of the actively polymerizing solution is therefore in a range such that the orientation of the polymer chains in solution does not decrease significantly before the solution gels. The viscosity at the start of incubation can vary within a range which depends on the concentration of the polymer in the solution and on the inherent viscosity of the polymer in the solution. It is believed that a suitable viscosity range at the start of incubation generally corresponds to the viscosity of a poly(p-phenylene terephthalamide)/NMP-CaCl solution having a polymer concentration of between 6 and 13%, the inherent viscosity of the polymers is in the range of 2 to 4. Preferably, the solution viscosities at the beginning of the incubation fall in the range of 15 to 50 Pa s (150 to 500 poise).
Um die Orientierung der Polymerketten in der Lösung weitestgehend aufrechtzuerhalten, wird mit der Inkubation vorzugsweise dann begonnen, wenn die Viskosität ausreichend hoch ist und sich nahe an dem Punkt befindet, bei dem die Fortsetzung der Reaktion dazu führt, daß die Lösung ein Gel bildet. Es ist demzufolge wünschenswert, daß sich die Lösung vor der Inkubation nahe am Gelpunkt befindet. Dies ist besonders wünschenswert bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, bei der die orientierte Lösung aus der Düse extrudiert und für die Inkubation auf einer Oberfläche abge setzt wird. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung ist es wünschenswert, daß die Lösung nach der Orientierung und vor dem Gelieren nicht wesentlich fließt, was zu einem Verlust der Orientierung führen würde. Jedoch sollte die Lösungsviskosität nicht zu hoch sein, daß während der Strömungsorientierung ein "Bruch" der Lösung auftritt, die zu einer schlechten Pulpequalität führen könnte. Die Temperatur kann während der Fließorientierung in geeigneter Weise kontrolliert werden, um die Reaktionsgeschwindigkeit so einzustellen, daß während der Fließorientierung optimale Lösungsviskosistäten erreicht werden, so daß die Viskosität für den Beginn der Inkubation geeignet sein wird. Bei der bevorzugten Ausführungsform unter Einsatz der Extrusionsdüse wird für die Düse eine geeignete Lönge ausgewählt und/oder die Düsentemperatur so eingestellt, daß die Lösung mit einer für den Beginn der Inkubation geeigneten Viskosität extrudiert wird.In order to maintain the orientation of the polymer chains in the solution as much as possible, incubation is preferably started when the viscosity is sufficiently high and close to the point at which continuation of the reaction will cause the solution to form a gel. It is therefore desirable that the solution be close to the gel point prior to incubation. This is particularly desirable in the preferred embodiment of the invention in which the oriented solution is extruded from the nozzle and deposited on a surface for incubation. In this embodiment of the invention, it is desirable that the solution not flow significantly after orientation and prior to gelation, which would result in loss of orientation. However, the solution viscosity should not be so high that "breaking" of the solution occurs during flow orientation, which could result in poor pulp quality. The temperature can be suitably controlled during flow orientation to adjust the reaction rate to achieve optimal solution viscosities during flow orientation so that the viscosity will be appropriate for the start of incubation. In the preferred embodiment using the extrusion nozzle, an appropriate length for the nozzle is selected and/or the nozzle temperature is adjusted so that the solution is extruded with an appropriate viscosity for the start of incubation.
Die Inkubation wird ausreichend lange fortgesetzt, bis Gelbildung eintritt. Es ist wünschenswert, daß die Temperatur zwischen 25ºC und 60ºC liegt, bis die Lösung geliert, um eine hohe Reaktionsgeschwindigkeit aufrechtzuerhalten. In besonders bevorzugter Weise wird die Temperatur zwischen 40ºC und 60ºC gehalten, bis die Lösung ein festes Gel geworden ist. Oberhalb 40ºC wird eine hohe Reaktionsgeschwindigkeit erzielt, und es wird angenommen, daß oberhalb 40ºC auch eine bessere Pulpebildung in dem Gel resultiert. Bei der bevorzugten Ausführungsform, bei der eine Extrusionsdüse und ein Förderband einge setzt werden, wird mit der Inkubation auf dem Förderband begonnen, sobald die Lösung von der Düse wegtransportiert wird, und die Lösung wird für einen ausreichenden Zeitraum befördert, so daß die Lösung gelieren kann. Um die Verweilzeit auf dem Förderband zu verringern, wird die Lösung auf dem Förderband vorzugsweise erhitzt, um den oben genannten Temperaturbereich zu erreichen und auf diese Weise die Reaktionsgeschwindigkeit zu erhöhen, so daß das Gelieren auf dem Förderband typischerweise innerhalb eines Zeitraums von Minuten erfolgt. Vorzugsweise erfolgt die Gelierung zu einem harten Gel, das, wie nachfolgend beschrieben, geschnitten werden kann, innerhalb von 2 bis 8 Minuten nach dem Beginn der Inkubation. Bevor die Lösung geliert und während sie ein neu gebildetes "weiches" Gel ist, ist sie gegenüber Feuchtigkeit empfindlich, und es ist wünschenswert, die Einwirkung von feuchter Luft einzuschränken, wie beispeilsweise durch die Erzeugung einer trockenen inerten Atmosphäre aus beispielsweise Stickstoff oder Argon um die inkubierte Lösung herum.Incubation is continued for a sufficient time until gel formation occurs. It is desirable that the temperature is between 25ºC and 60ºC until the solution gels in order to maintain a high reaction rate. Most preferably, the temperature is maintained between 40ºC and 60ºC until the solution has become a solid gel. Above 40°C a high reaction rate is achieved and it is believed that above 40°C better pulp formation in the gel also results. In the preferred embodiment employing an extrusion die and conveyor belt, incubation on the conveyor belt is started as soon as the solution is transported away from the die and the solution is conveyed for a period of time sufficient to allow the solution to gel. In order to reduce residence time on the conveyor belt, the solution on the conveyor belt is preferably heated to achieve the above temperature range and thus increase the reaction rate so that gelation on the conveyor belt typically occurs within a period of minutes. Preferably gelation to a hard gel which can be cut as described below occurs within 2 to 8 minutes after the start of incubation. Before the solution gels and while it is a newly formed "soft" gel, it is sensitive to moisture and it is desirable to limit exposure to moist air, such as by creating a dry inert atmosphere of, for example, nitrogen or argon around the incubated solution.
Nach dem Gelieren wird das Gel bei ausgewählten Abschnitten quer zur Kettenorientierung geschnitten. Mit dem Ausdruck "quer" soll jeder Schnittwinkel gemeint sein, der nicht parallel zu der Orientierung der Polymerketten liegt. Das Querschneiden des Gels wird so durchgeführt, daß die maximale Länge der Pulpefasern kontrolliert werden kann. Darüber hinaus wird angenommen, daß das Querschneiden der frisch gelierten Lösung zu einheitlicheren Pulpefaserlängen führt, was in der Erzeugung einer fibrillierteren Pulpe mit einer hohen Oberfläche resultieren kann. Bei der bevorzugten Ausführungsform, bei der die Extrusionsdüse eingesetzt wird, erfolgt das Schneiden in Querabschnitte in geeigneter Weise durch Schneiden des gehärteten Gels auf dem Band in diskrete Stücke mit Hilfe einer guillotineähnlichen Schneidvorrichtung, wobei der Schnittakt auf die Förderbandgeschwindigkeit abgestimmt ist, um die Schnittlänge festzulegen. Das Schneiden des Gels kurz nach dem Gelieren gestaltet ein kontinuierliches Verfahren, bei dem eine Extrusionsdüse eingesetzt wird, einfacher, da die Förderbandlänge nur lang genug sein muß, um die Zeit für die Gelierung der Lösung zur Verfügung zu stellen. Vorzugsweise wird das Gel in Abständen von weniger als etwa 1,27 cm (1/2") geschnitten, und es wird dann geschnitten, wenn das Gel ausreichend gehärtet ist, damit die Gelstücke nicht aneinander oder an der Schneidvorrichtung haften und während der normalen Handhabung nicht wesentlich zerstört werden. Die Temperatur während des Schneidvorganges sollte vorzugsweise oberhalb etwa 40ºC liegen, um das Schneiden zu erleichtern.After gelling, the gel is cut at selected sections transverse to the chain orientation. By the term "transverse" is meant any angle of cut that is not parallel to the orientation of the polymer chains. Cross-cutting of the gel is carried out so that the maximum length of the pulp fibers can be controlled. In addition, it is believed that cross-cutting of the freshly gelled solution leads to more uniform pulp fiber lengths, which can result in the production of a more fibrillated pulp with a high surface area. In the preferred embodiment employing the extrusion die, cross-cutting is conveniently carried out by cutting the hardened gel on the belt into discrete pieces using a guillotine-like cutting device, the Cutting rate is coordinated with conveyor speed to determine cut length. Cutting the gel shortly after gelation makes a continuous process using an extrusion die easier because the conveyor length only needs to be long enough to allow time for the solution to gel. Preferably, the gel is cut at intervals of less than about 1/2" (1.27 cm), and is cut when the gel is sufficiently hardened so that the gel pieces do not stick to each other or to the cutting device and are not substantially destroyed during normal handling. The temperature during the cutting operation should preferably be above about 104°F (40°C) to facilitate cutting.
Vorzugsweise wird die Inkubation nach dem Schneidvorgang fortgesetzt, so daß die Polymerisation während der fortgesetzten Inkubationszeit fortschreitet, um so die inhärente Viskosität des Polymeren zu erhöhen. Die Länge der fortgesetzten Inkubation hängt von der Länge der Inkubation vor dem Schneidvorgang ab. Es kann eine sehr kurze zusätzliche Inkubation (oder sogar keine zusätzliche Inkubation) erfolgen, wenn die inhärente Viskosität beim Schneiden bereits in dem für die zu erzeugende Pulpe gewünschten Bereich liegt. Bei der bevorzugten Ausführungsform, bei der eine Extrusionsdüse verwendet wird, und bei der es vorteilhaft ist, das Gel kurz nach der Extrudierung zu schneiden, ist ein Fortführen der Inkubation höchst wünschenswert und kann sogar notwendig sein, um eine geeignete inhärente Viskosität für die zu erzeugende Pulpe zu erreichen. Um die Zeit für die fortgesetzte Inkubation auf ein Minimum zu bringen, wird die Temperatur vorzugsweise bei Temperaturen oberhalb Zimmertemperatur, vorzugsweise zwischen 40-55ºC, gehalten. Die Zeit für die forgesetzte Inkubation ist variabel und hängt von dem gewünschten Produkt ab, sie sollte im allgemeinen länger als etwa 20 Minuten bei 40-55ºC dauern, wenn die Lösung kurz nach dem Gelieren geschnitten wird. Die fortgesetzte Inkubation beeinflußt die Größenverteilung der durch das Verfahren hergestellten Pulpe, da die forgesetzte Inkubation in Verbindung mit dem Schneidvorgang die durchschnittliche Länge der pulpeartigen kurzen Fasern in der Pulpe erhöht und sich ihre Länge der Schnittlänge des Gels annähert.Preferably, incubation is continued after the cutting operation so that polymerization progresses during the continued incubation time so as to increase the inherent viscosity of the polymer. The length of the continued incubation will depend on the length of incubation prior to the cutting operation. A very short additional incubation (or even no additional incubation) may be used if the inherent viscosity upon cutting is already within the range desired for the pulp to be produced. In the preferred embodiment where an extrusion die is used and where it is advantageous to cut the gel shortly after extrusion, continued incubation is highly desirable and may even be necessary to achieve a suitable inherent viscosity for the pulp to be produced. To minimize the time for continued incubation, the temperature is preferably maintained at temperatures above room temperature, preferably between 40-55°C. The time for continued incubation is variable and depends on the desired product, but should generally be longer than about 20 minutes at 40-55ºC if the solution is cut shortly after gelling. Continued incubation affects the size distribution of the pulp produced by the process, because continued incubation combined with the cutting process increases the average length of the pulp-like short fibers in the pulp and their length approaches the cut length of the gel.
Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, bei der die Extrusionsdüse eingesetzt wird, kann die zusätzliche Inkubation in Form eines separaten Verfahrensschrittes erfolgen, indem die geschnittenen Gelstücke bei erhöhter Temperatur aufbewahrt werden, und das Material kann beispielsweise in Behältern oder auf einer sich langsam bewegenden Fördervorrichtung verfestigt werden, um den Raumbedarf während der fortgesetzten Inkubation zu verringern. Typischerweise sind die gehärteten Gelstücke stabil, und es ist nicht notwendig, spezielle Schutzmaßnahmen zu ergreifen, außer den Kontakt mit Wasser und mit feuchter Luft während der fortgesetzten Inkubation zu verhindern.In the preferred embodiment of the invention using the extrusion die, the additional incubation can be carried out as a separate process step by storing the cut gel pieces at an elevated temperature and the material can be solidified, for example, in containers or on a slow moving conveyor to reduce the space required during continued incubation. Typically, the hardened gel pieces are stable and it is not necessary to take any special protective measures other than to prevent contact with water and with moist air during continued incubation.
Die Pulpe wird nach der Inkubation aus dem geschnittenen Gel isoliert. Die Isolierung erfolgt durch Größerverringerung des Materials, wie z.B. durch Verkleinern des Gels, und durch Neutralisieren und Koagulieren. Um die Größenverringerung zu erleichtern, erfolgt die Größenverringerung vor oder vorzugsweise gleichzeitig mit dem Neutralisieren und Koagulieren. Die Größenverringerung, Koagulation und Neutralisation werden in geeigneter Weise durchgeführt, in dem das Gel mit einer alkalischen Lösung in einer Mühle oder Schleifvorrichtung in Berührung gebracht wird, es mag jedoch auch geeignet sein, an dieser Stelle einen Reitz-Refiner zu verwenden. Die erzeugte Pulpeaufschlämmung wird gewaschen, vorzugsweise in Stufen, um das Polymerisationslösungmittel für die spätere Rückgewinnung zu entfernen. Das Lösungsmittel kann für die Wiederverwendung sowohl aus der Neutralisationslösung als auch aus dem Waschwasser wiedergewonnen werden. Die Pulpeaufschlämmung wird entwässert, beispielsweise durch Vakuumfiltration, und gegebenenfalls getrocknet, wie z.B. in einem Umluftofen, um Produkte mit verschiedenem Feuchtigkeitsgehalt zu ergeben und so die Erfordernisse des Endverwendungszwecks zu erfüllen. Falls gewünscht kann die Pulpe für den Endeinsatz in feuchter, nicht-kollabierter, "niemals-getrockneter" Form, enthaltend wenigstens etwa 30% Wasser, bezogen auf das Gewicht der trockenen Pulpe, geliefert werden.The pulp is isolated from the cut gel after incubation. Isolation is accomplished by size reduction of the material, such as by reducing the gel in size, and by neutralizing and coagulating. To facilitate size reduction, size reduction is accomplished before or preferably simultaneously with neutralizing and coagulating. Size reduction, coagulation and neutralization are conveniently accomplished by contacting the gel with an alkaline solution in a mill or grinder, but it may also be convenient to use a Reitz refiner at this point. The pulp slurry produced is washed, preferably in stages, to remove the polymerization solvent for later recovery. The solvent may be recovered from both the neutralization solution and the wash water for reuse. The pulp slurry is dewatered, for example by vacuum filtration, and optionally dried, such as in a forced air oven, to give products of varying moisture content and so as to meet the requirements of the end use. If desired, the end use pulp can be supplied in a moist, non-collapsed, "never-dried" form containing at least about 30% water by weight of the dry pulp.
Es soll nun auf die Zeichnungen Bezug genommen werden. Ein typisches kontinuierliches Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung, das zur kommerziellen Herstellung von para-Aramid pulpe geeignet ist, ist diagrammartig in Fig. 1 erläutert. Nach der zweiten Stufe der Disäureschlond-Zugabe zu der Lösung des Prepolymeren wird die Polymerisation in einer mit dem Bezugszeichen 10 versehenen selbstabstreifenden Polymensiervorrichtung durchgeführt. Die noch polymerisierende Lösung wird dann zur Orientierung in eine Düse 12 entladen. Wenn die Lösung aus der Düse 12 extrudiert wird, ist die Reaktion soweit fortgeschritten, daß die inhärente Viskosität durch die Umsetzung in der Polymerisiervorrichtung 10 und während der Verweilzeit in der Düse 12 bei dem gewünschten Niveau liegt.Referring now to the drawings, a typical continuous process according to the present invention suitable for commercial production of para-aramid pulp is illustrated diagrammatically in Figure 1. After the second stage of diacid addition to the prepolymer solution, polymerization is carried out in a self-stripping polymerizer indicated by the reference numeral 10. The still polymerizing solution is then discharged into a nozzle 12 for orientation. When the solution is extruded from the nozzle 12, the reaction has progressed to the point where the inherent viscosity is at the desired level through the reaction in the polymerizer 10 and during the residence time in the nozzle 12.
Die Düse 12 unterwirft die Lösung einem orientierenden Fließen, das die wachsenden Polymerketten in der Lösung in Richtung der Extrusion orientiert.The nozzle 12 subjects the solution to an orienting flow which orients the growing polymer chains in the solution in the direction of extrusion.
Es soll nun auf die Figuren 2 und 3 Bezug genommen werden, in welchen eine bevorzugte Düse (Dehnungsströmungs-Orientierungsvorrichtung) 12 gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht ist. Die Fließorientierungsvorrichtung wird zusammen mit einer kontinuierlichen Doppelschneckenpolymerisiervorrichtung 10 eingesetzt, deren sämtliche Oberflächen abgestreift werden, und die eine nach unten gerichtete Auslaßöffnung 30 aufweist. Ein Motor und ein Getriebe (nicht dargestellt) treiben die rotierbaren Schneckenwellen 37 in die gleiche Richtung innerhalb des Polymerisierungszylinders 40 an, um die Polymerisierlösung zu mischen und durch die Polymerisiervorrichtung zu befördern. Die Polymerisiervorrichtung 10 besitzt Kühlkanäle (einer ist mit dem Bezugszeichen 32 identifiziert), so daß die Temperatur der Polymerisiervorrichtung in geeigneter Weise kontrolliert werden kann. Die dargestellte Polymerisiervorrichtung hat obere und untere Gehäuseabschnitte 34 bzw. 36 und kann leicht ausseinandergebaut werden, um die Reinigung und Pflege zu erleichtern. An der Auslaßöffnung 30 weisen die Schneckenwellen 37 selbstabstreifende Flügel 38 in dem Zylinder 40 auf, die den Inhalt des Zylinders 40 zusammen mit der vorrückenden Polymerlösung aus der Auslaßöffnung 30 hinausdrücken. Polymerisiervorrichtungen dieser Art sind im Handel erhältlich, wie beispielsweise diejenigen, die von Teledyne Readco, York, Pennsylvania, hergestellt wird.Referring now to Figures 2 and 3, there is illustrated a preferred nozzle (extensional flow orientator) 12 in accordance with the present invention. The flow orientator is used in conjunction with a continuous twin screw polymerizer 10 which is fully surface-stripped and has a downwardly directed discharge port 30. A motor and gear (not shown) drive the rotatable screw shafts 37 in the same direction within the polymerization barrel 40 to mix and convey the polymerization solution through the polymerizer. The polymerizer 10 has cooling channels (one is identified by reference numeral 32) so that the temperature of the polymerizer can be conveniently controlled. The polymerizer shown has upper and lower housing sections 34 and 36, respectively, and can be easily disassembled to facilitate cleaning and maintenance. At the outlet port 30, the screw shafts 37 have self-stripping vanes 38 in the barrel 40 which force the contents of the barrel 40 together with the advancing polymer solution out of the outlet port 30. Polymerizers of this type are commercially available, such as that manufactured by Teledyne Readco, York, Pennsylvania.
Die Fließorientierungsvorrichtung 12 ist eng an die Polymerisiervorrichtung 10 gekoppelt und mit dem unteren Gehäuseabschnitt 36 verbunden, so daß die Fließorientierungsvorrichtung 12 die aktiv-polymerisierende PPD-T-Lösung direkt aus dem Zylinder 40 der Polymerisiervorrichtung 10 erhält. Ein Fließorientierungsvorrichtungsgehäuse 42 mit einem oberen Flanschabschnitt 44, wie in Fig. 3 dargestellt, ist mit Hilfe von Kopfschrauben 45 oder anderen geeigneten Mitteln an dem unteren Gehäuseabschnitt 36 befestigt. Doppelschneckenpolymerisiervorrichtungen der abgebildeten Art weisen im allgemeinen einen eingelassenen Bereich 46 um die Auslaßöffnung 30 herum auf der Unterseite des unteren Gehäuseabschnittes 36 auf, und der Flanschabschnitt 44 des Fließorientierungsvorrichtungsgehäuses 42 kann in die Vertiefung 46 eingelassen werden. Die vertikale Positionierung des Gehäuses in der Vertiefung kann mit Abstandshaltern 48 geeigneter Dicke erreicht werden.The flow orientator 12 is closely coupled to the polymerizer 10 and connected to the lower housing section 36 so that the flow orientator 12 receives the actively polymerizing PPD-T solution directly from the barrel 40 of the polymerizer 10. A flow orientator housing 42 having an upper flange portion 44 as shown in Figure 3 is secured to the lower housing section 36 by means of cap screws 45 or other suitable means. Twin screw polymerizers of the type shown generally have a recessed area 46 around the outlet opening 30 on the underside of the lower housing section 36 and the flange portion 44 of the flow orientator housing 42 can be recessed into the recess 46. The vertical positioning of the housing in the recess can be achieved with spacers 48 of suitable thickness.
Die Dehnungsströmungs-Orientierungsvorrichtung 12 weist einen Fließweg 50 auf und besitzt einen Einlaß 52 bei der Auslaßöffnung 30 der Polymerisiervorrichtung 10, wobei der Fließweg im Querschnitt zu einer Auslaßöffnung 54 hin abnimmt. Der Fließweg 50 wird durch poröse Wände 56 gebildet, die einen rechteckigen, linear abnehmenden Querschnitt definieren, wobei die Breite der Düse bei abnehmender Dicke konstant bleibt. Der Fließweg der abgebildeten Vorrichtung soll im allgemeinen in einem 90º-Winkel zu dem Förderband 14 verwendet werden (die Förderbandrichtung ist durch den Pfeil 57 dargestellt). Bei der dargestellten Düse nimmt die Dicke mit einem Verhältnis von etwa 3 zu 1 von Einlaß 52 zum Auslaß 54 ein ab, und der Düsenausgang 54 hat eine Breite, die etwa 5 mal so groß ist wie die Dicke.The extensional flow orientation device 12 includes a flow path 50 and has an inlet 52 at the outlet port 30 of the polymerizer 10, the flow path decreasing in cross-section toward an outlet port 54. The flow path 50 is formed by porous walls 56 defining a rectangular, linearly decreasing cross-section, the width of the nozzle remaining constant as the thickness decreases. The flow path of the device shown is generally intended to be a 90º angle to the conveyor belt 14 (the conveyor belt direction is shown by arrow 57). In the nozzle shown, the thickness decreases at a ratio of about 3 to 1 from inlet 52 to outlet 54 and the nozzle exit 54 has a width about 5 times the thickness.
Die porösen Wände 56 weisen eine Schicht aus N-Methylpyrrolidon auf, welches aus den Wänden austritt. Bei der abgebildeten Ausführungsform wird dies dadurch erreicht, daß ein N-Methylpyrrolidonversorgungsmantel 58 vorgesehen ist, der die porösen Wände 56 umgibt. Der Mantel 58 wird mit Hilfe von Versorgungsleitungen 62 mit N-Methylpyrrolidon versorgt, die von einer unter Druck stehenden N-Methylpyrrolidonquelle (nicht dargestellt) kommen und an den Anschlußstellen 63 mit dem Gehäuse 42 verbunden sind.The porous walls 56 have a layer of N-methylpyrrolidone emanating from the walls. In the illustrated embodiment, this is accomplished by providing an N-methylpyrrolidone supply jacket 58 surrounding the porous walls 56. The jacket 58 is supplied with N-methylpyrrolidone by means of supply lines 62 which come from a pressurized N-methylpyrrolidone source (not shown) and are connected to the housing 42 at connection points 63.
Um den Bau der abgebildeten Fließorientierungsvorrichtung 12 zu erleichtern, werden die den Fließweg 50 bildenden porösen Wände 56 durch zwei poröse Metallteile gebildet. Unmittelbar benachbart zu dem Zylinder 40 der Polymerisiervorrichtung 10 befindet sich ein Kopfendstück 64, das aus porösem Plattenmaterial aus rostfreiem Stahl Nr. 316 mit einer Porengröße von 1,0 bis 2,0 µm gefertigt ist. Das Kopfendstück 64 ist so bearbeitet, daß seine obere Oberfläche der Drehbewegung der Flügel 38 der Polymerisiervorrichtung 10 am Auslaßende 30 angepaßt ist. Das Innere des Kopfendstückes 64 ist hohl, um eine etwa einheitliche Dicke der porösen Wand in Nachbarschaft zu dem Zylinder 40 der Polymerisiervorrichtung 10 und für den Strömungsweg 50 zu erhalten. Der hohle Bereich ist in flüssiger Verbindung mit dem N-Methylpyrrolidonversorgungsmantel 58.To facilitate construction of the illustrated flow orientation device 12, the porous walls 56 forming the flow path 50 are formed by two porous metal members. Immediately adjacent the cylinder 40 of the polymerizer 10 is a head end piece 64 made of No. 316 stainless steel porous plate material having a pore size of 1.0 to 2.0 microns. The head end piece 64 is machined so that its upper surface conforms to the rotational movement of the blades 38 of the polymerizer 10 at the outlet end 30. The interior of the head end piece 64 is hollow to provide an approximately uniform thickness of the porous wall adjacent the cylinder 40 of the polymerizer 10 and for the flow path 50. The hollow region is in fluid communication with the N-methylpyrrolidone supply mantle 58.
Der zweite Teil bildet den größten Teil des Strömungsweges 50 und wird durch ein rechteckiges, sich verjüngendes Rohrteil 68 gebildet, das aus einer einheitlichen Konstruktion aus porösem rostfreiem Stahl 316 mit einer Porengröße von 0,2 bis 1,0 besteht. Das Rohrteil 68 wird innerhalb des Gehäuses 42 zwischen dem Kopfendstück 64 und einem Bodenendstück 70 getragen, welches eine sich nach außen verjüngende Öffnung aufweist, die mit dem Ausgang 54 des Fließweges 50 übereinstimmt. Das Bodenendstück 70 ist mit Schrauben 71 oder anderen geeigneten Hilfsmitteln an dem Gehäuse 42 befestigt. Untere Dichtungen 72 sind in Dichtungsaussparungen vorgesehen, die dazu dienen, das N-Methylpyrrolidon in dem Versorgungsmantel 58 einzuschließen, der in dem Zwischenraum zwischen der Außenseite des Rohrteiles 68 und der Innenseite des Gehäuses 42 gebildet wird. Obere Dichtungen 74 sind in ähnlicher Weise zwischen dem Kopfendstück 64 und dem Gehäuse 42 und zwischen dem Rohrteil 68 und dem Kopfendstück 64 vorgesehen, um in ähnlicher Weise den NMP-Fluß einzuschließen. Der Kontakt zwischen den äußeren Oberflächen des Kopfendstückes 64 mit den eingelassenen Bereichen des unteren Gehäuseabschnittes 36 der Polymerisiervorrichtung 10 hilft dabei, ein Austreten aus dem porösen Metall des Kopfendstückes zu verhindern. Stellschrauben 76 mit Nylonspitzen sind in dem Gehäuse 42 angebracht, um die Position des Rohrteiles 68 einzustellen und zu sichern.The second portion forms the major portion of the flow path 50 and is formed by a rectangular tapered tubular member 68 which is of unitary construction made of porous 316 stainless steel with a pore size of 0.2 to 1.0. The tubular member 68 is mounted within the housing 42 between the head end 64 and a bottom end 70 having an outwardly tapered opening that corresponds to the exit 54 of the flow path 50. The bottom end 70 is secured to the housing 42 by screws 71 or other suitable means. Lower seals 72 are provided in seal recesses that serve to confine the N-methylpyrrolidone in the supply jacket 58 formed in the space between the outside of the tubular member 68 and the inside of the housing 42. Upper seals 74 are similarly provided between the head end 64 and the housing 42 and between the tubular member 68 and the head end 64 to similarly confine the NMP flow. Contact between the outer surfaces of the head end 64 and the recessed areas of the lower housing section 36 of the polymerizer 10 helps prevent leakage from the porous metal of the head end. Nylon-tipped set screws 76 are mounted in the housing 42 to adjust and secure the position of the tubular member 68.
Der erhaltene ausgestreckte Streifen der orientierten anisotropen flüssigen Lösung (nicht dargestellt) wird, bezugnehmend nochmals auf die Figur 1, auf dem Förderband 14 abgesetzt. Zu dem Zeitpunkt, zu dem die flüssige Lösung auf dem Förderband abgesetzt wird, ist die Viskosität ausreichend hoch, damit die Orientierung der abgesetzten Lösung nicht verloren geht, bevor die Lösung geliert. Auf dem Förderband 14 wird der länglich ausgestreckte Streifen der Lösung bei einer erhöhten Temperatur ausreichend lange inkubiert, so daß die Lösung zu einem harten Gel geliert, bevor sie die Schneidvorrichtung 16 erreicht. Die Schneidvorrichtung 16 schneidet das harte Gel in (nicht dargestellte) Stücke, die die gewünschten Längenabschnitte aufweisen, und die Stücke fallen dann für die fortgesetzte Inkubation in die Behälter eines Becherförderers 18.The resulting elongated strip of oriented anisotropic liquid solution (not shown) is deposited on conveyor belt 14, referring again to Figure 1. At the time the liquid solution is deposited on the conveyor belt, the viscosity is sufficiently high so that the orientation of the deposited solution is not lost before the solution gels. On conveyor belt 14, the elongated strip of solution is incubated at an elevated temperature for a sufficient time so that the solution gels into a hard gel before it reaches cutter 16. Cutter 16 cuts the hard gel into pieces (not shown) having the desired lengths, and the pieces then fall into the containers of a bucket conveyor 18 for continued incubation.
Wenn die inhärente Viskosität des para-Aramids in den Gelstücken in dem Becherförderer 18 den gewünschten Grad ereicht hat, wird das Gel in einen Tonkneter 20 entladen, der eine verdünnte Natriumhydroxydlösung enthält. In dem Tonkneter 20 wird das Gel zerkleinert und gleichzeitig neutralisiert und koaguliert. Die erhaltene Pulpeaufschlämmung wird dann zur weiteren Verkleinerung in einen Reitz-Refiner 22 überführt. Die Pulpeaufschlämmung wird unter Rühren in einem Aufschlämmungstank 24 aufbewahrt und wird zum Waschen kontinuierlich auf ein Isolierungsförderband 26 abgezogen. Der Pulpenaßkuchen wird dann in einer Pulpekonsolidierungsstation 28 für die Naßverpackung entwässert und/oder getrocknet und zerkleinert für die Trockenverpackung. Das Lösungsmittel in der alkalischen Lösung und das Waschwasser werden für den erneuten Einsatz wiedergewonnen.When the inherent viscosity of the para-aramid in the gel pieces in the bucket conveyor 18 has reached the desired level, the gel is discharged into a clay kneader 20 containing a dilute sodium hydroxide solution. In the clay kneader 20, the gel is crushed and simultaneously neutralized and coagulated. The resulting pulp slurry is then transferred to a Reitz refiner 22 for further reduction. The pulp slurry is kept under agitation in a slurry tank 24 and is continuously drawn onto an isolation conveyor 26 for washing. The pulp wet cake is then dewatered in a pulp consolidation station 28 for wet packaging and/or dried and crushed for dry packaging. The solvent in the alkaline solution and the wash water are recycled for reuse.
Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Pulpe besteht im wesentlichen aus kurzen fibrillierten Fasern aus para-Aramid, vorzugsweise p-Phenylenterephthalamid, und umfaßt Bündel von Fibrillen mit einem Submikrondurchmesser und einer inhärenten Viskosität zwischen 2,0 und 4,5. Da das Verfahren das Verspinnen aus einer Schwefelsäurelösung nicht umfaßt, ist das para-Aramid frei von Sulfonsäuregruppen. Der Durchmesser der bei diesem Verfahren erzeugten pulpeähnlichen Fasern reicht von weniger als 1 µm bis etwa 150 µm (microns). Die Länge der bei diesem Verfahren erzeugten pulpeähnlichen Fasern reicht von 0,2 mm bis 35 mm, übersteigt aber niemals die Abschnitte des quergeschnittenen Gels. Der mit Röntgenbeugung gemessene Kristallinitätsindex beträgt weniger als 50 und die Kristallitgröße ist geringer als 4 nm (40 Å). Die Pulpe ist auch durch Fibrillen gekennzeichnet, die eine wellenförmige, geknickte Struktur aufweisen. Die durch Gasadsorptionsverfahren gemessene Oberfläche dieses Produkts ist größer als etwa 2 m²/g im Vergleich zu derjenigen einer äquivalenten Menge einer nicht in Pulpe überführten, ersponnenen Faser von weniger als 0,1 m²/g, was einen hohen Grad an Fibrillierung anzeigt. Es wird angenommen, daß die Pulpefasern entlang ihrer Länge stärker fibrilliert sind als Pulpe, die aus ersponnener Faser erzeugt worden ist, und bei Matrixanwendungen stärker an der Matrix anhaften können. Wenn die Pulpe nicht unterhalb einen Gehalt von etwa 30% Wasser, bezogen auf das Gewicht der trockenen Pulpe ("niemals getrocknet") getrocknet wird, hat die Pulpefaser eine nichtkollabierte Struktur, die bei aus ersponnener Faser erzeugter Pulpe nicht vorhanden ist.The pulp produced by the process of the invention consists essentially of short fibrillated fibers of para-aramid, preferably p-phenylene terephthalamide, and comprises bundles of fibrils having a submicron diameter and an inherent viscosity between 2.0 and 4.5. Since the process does not involve spinning from a sulfuric acid solution, the para-aramid is free of sulfonic acid groups. The diameter of the pulp-like fibers produced by this process ranges from less than 1 µm to about 150 µm (microns). The length of the pulp-like fibers produced by this process ranges from 0.2 mm to 35 mm, but never exceeds the sections of the cross-cut gel. The crystallinity index measured by X-ray diffraction is less than 50 and the crystallite size is less than 4 nm (40 Å). The pulp is also characterized by fibrils having a wavy, kinked structure. The surface area of this product measured by gas adsorption techniques is greater than about 2 m²/g compared to that of an equivalent amount of unpulped spun fiber of less than 0.1 m²/g, indicating a high degree of fibrillation. It is believed that the pulp fibers are fibrillated along their length than pulp produced from spun fiber and may adhere more strongly to the matrix in matrix applications. Unless the pulp is dried below a water content of about 30% by weight of dry pulp ("never dried"), the pulp fiber will have a non-collapsed structure that is not present in pulp produced from spun fiber.
Wenn das Produkt in Endanwendunggegenständen eingesetzt wird, wie z.B. in Friktionsprodukten oder Dichtungen, zeigt es überraschenderweise eine äquivalente Leistungsfähigkeit im Vergleich zu Pulpe, die mit herkömmlichen Techniken hergestellt worden ist, beispielsweise durch Schneiden und Zerkleinern von ersponnener Faser, obgleich die inhärente Viskosität niedriger ist als die von kommerzieller, aus ersponnener Faser erzeugter Pulpe.When the product is used in end-use articles, such as friction products or seals, it surprisingly shows equivalent performance compared to pulp produced by conventional techniques, such as cutting and shredding spun fiber, although the inherent viscosity is lower than that of commercial pulp produced from spun fiber.
Die folgenden Beispiele erläutern die Erfindung, wobei die folgenden Testverfahren angewendet wurden.The following examples illustrate the invention using the following test procedures.
Die inhärente Viskosität (IV) ist definiert durch die BeziehungThe inherent viscosity (IV) is defined by the relationship
IV = ln (ηrel)/c,IV = ln (ηrel)/c,
worin c die Konzentration (0,5 g Polymeres in 100 ml Lösungsmittel) der Polymerlösung und ηrel (relative Viskosität) das Verhältnis zwischen den Ausfließzeiten der Polymerlösung und des Lösungsmittels, gemessen bei 30ºC in einem Kapillarviskosimeter, bedeuten. Die inhärenten Viskositätswerte, die hier angegeben und spezifiziert sind, wurden unter Verwendung konzentrierter Schwefelsäure (96% H50&sub4;) bestimmt.where c is the concentration (0.5 g polymer in 100 ml solvent) of the polymer solution and ηrel (relative viscosity) is the ratio between the flow times of the polymer solution and the solvent measured at 30°C in a capillary viscometer. The inherent viscosity values given and specified here were determined using concentrated sulfuric acid (96% H504).
Der Kristallinitätsindex und die scheinbare Kristallitgröße für Poly-p-phenylenterephthalamidpulpe werden aus Röntgenbeugungsabtastungen der Pulpematerialien abgeleitet.The crystallinity index and apparent crystallite size for poly-p-phenylene terephthalamide pulp are derived from X-ray diffraction scans of the pulp materials.
Das Beugungsmuster von Poly-p-phenylenterephthalamid ist durch äquatoriale Röntgenreflexionen mit Peaks bei etwa 20º und 23º (2Θ) charakterisiert.The diffraction pattern of poly-p-phenylene terephthalamide is characterized by equatorial X-ray reflections with peaks at about 20º and 23º (2Θ).
Wenn die Kristallinität zunimmt, nimmt die relative Überlappung dieser Peaks ab, da die Intensität der Peaks zunimmt. Der Kristallinitätsindex (CI) von Poly-p-phenylenterephthalamid ist definiert als das Verhältnis der Differenz zwischen den Intensitätswerten des Peaks bei etwa 23º 2Θ und dem Minimum des Tales zwischen den Peaks bei etwa 22º 2Θ zu der Peakintensität bei etwa 23º (2Θ), ausgedrückt in Prozent. Der Kristallinitätsindex ist ein empirischer Wert und darf nicht als prozentuale Kristallinität interpretiert werden.As crystallinity increases, the relative overlap of these peaks decreases as the intensity of the peaks increases. The crystallinity index (CI) of poly-p-phenylene terephthalamide is defined as the ratio of the difference between the intensity values of the peak at about 23º 2Θ and the minimum of the valley between the peaks at about 22º 2Θ to the peak intensity at about 23º (2Θ), expressed as a percentage. The crystallinity index is an empirical value and must not be interpreted as percent crystallinity.
Der Kristallinitätsindex wird aus der folgenden Beziehung errechnetThe crystallinity index is calculated from the following relationship
Kristallinitätsindex = (A - C) x 100/A-DCrystallinity index = (A - C) x 100/A-D
worin A = Peak bei etwa 23º 2Θwhere A = peak at about 23º 2�Theta;
C = Minimum des Tales bei etwa 22º 2Θ, undC = minimum of the valley at about 22º 2�Theta;, and
D = Basislinie bei etwa 23º 2Θ.D = baseline at approximately 23º 2�Theta;.
Die scheinbare Kristallitgröße wird aus den Messungen der Halbwertspeakbreite der äquatorialen Beugungspeaks bei etwa 20º und 23º (2Θ) berechnet. Die primäre scheinbare Kristallitgröße bezieht sich auf die aus dem primären oder niedereren 2Θ-Streuwinkel bei etwa 20º (2Θ) gemessene Kristallitgröße.The apparent crystallite size is calculated from the measurements of the half-width of the equatorial diffraction peaks at about 20º and 23º (2Θ). The primary apparent crystallite size refers to the crystallite size measured from the primary or lower 2Θ scattering angle at about 20º (2Θ).
Da sich die beiden äquatorialen Peaks überlappen, beruht die Messung der Halbwertspeakbreite auf der Halbwertsbreite bei halber Höhe. Für den 20º Peak wird die Position der Halbwertspeakhöhe berechnet und der 20Θ-Wert für diese Intensität auf der Seite des niederen Winkels gemessen. Die Differenz zwischen diesem 2Θ Wert und dem 2Θ Wert bei der maximalen Peakhöhe wird mit 2 multipliziert, um die Halbwertspeakbreite (oder "Linienbreite") zu ergeben.Since the two equatorial peaks overlap, the measurement of the half-width is based on the half-width at half height. For the 20º peak, the position of the half-height peak is calculated and the 20�Theta; value for this intensity on the low angle side is measured. The difference between this 2�Theta; value and the 2�Theta; value at the maximum Peak height is multiplied by 2 to give the half-peak width (or "line width").
Bei dieser Messung wird nur hinsichtlich der instrumentellen Verbreiterung korrigiert; von allen anderen Verbreiterungseffekten wird angenommen, daß sie ein Ergebnis der Kristallitgröße sind. Wenn "B" die gemessene Linienbreite der Probe ist, dann ist die korrigierte Linienbreite βThis measurement corrects only for instrumental broadening; all other broadening effects are assumed to be a result of crystallite size. If "B" is the measured linewidth of the sample, then the corrected linewidth is β.
β = (B²-B²)β = (B²-B²)
worin "b" die instrumentelle Verbreiterungskonstante ist. "b" wird bestimmt, indem die Linienbreite des bei 28º 2Θ liegenden Peaks im Beugungsmuster einer Siliciumkristallpulverprobe gemessen wird.where "b" is the instrumental broadening constant. "b" is determined by measuring the line width of the peak located at 28º 2θ in the diffraction pattern of a silicon crystal powder sample.
Die scheinbare Kristallitgröße ist gegeben durchThe apparent crystallite size is given by
ACS = (Kλ)/(β cos Θ), worinACS = (Kλ)/(β cos �Theta), where
K Eins gesetzt wird (Einheit)K One is set (unit)
λ die Röntgenwellenlänge ist, (hier 0,15418 nm (1,5418 Å)λ is the X-ray wavelength, (here 0.15418 nm (1.5418 Å)
β die korrigierte Linienbreite in Radian bedeutetβ is the corrected line width in radians means
Θ der halbe Bragg'sche Winkel bedeutet (die Hälfte des 20 Wertes des ausge wählten Peaks, wie aus dem Beugungsmuster erhalten).Θ is half the Bragg angle (half of the 20 value of the selected peak as obtained from the diffraction pattern).
Bei den Messungen sowohl des Kristallinitätsindexes als auch der scheinbaren Kristallitgröße werden die Beugungsdaten mit Hilfe eines Rechenprogramms verarbeitet, das die Daten glättet, die Basislinien, die Lage und Höhe der Peaks und die Lage und Höhe der Täler bestimmt.In the measurements of both the crystallinity index and the apparent crystallite size, the diffraction data are processed using a computer program that smoothes the data, determines the baselines, the position and height of the peaks and the position and height of the valleys.
Die Röntgenbeugungsmuster der Pulpeproben werden mit einem Röntgendiffraktometer (Philips Electronic Instruments; ct. no. PW1075/00) nach dem Refelxionsmodus bestimmt. Die Intensitäts daten werden mit einem Impulsfrequenzmeßgerät gemessen und durch ein rechnergesteuertes Datensammel-/-reduktionssystem aufgezeichnet. Die Beugungsmuster werden unter Anwendung folgender instrumenteller Einstellungen erhalten:The X-ray diffraction patterns of the pulp samples are determined using an X-ray diffractometer (Philips Electronic Instruments; ct. no. PW1075/00) in reflection mode. The intensity Data are measured with a pulse frequency meter and recorded by a computer-controlled data collection/reduction system. The diffraction patterns are obtained using the following instrumental settings:
Abtastgeschwindigkeit 1º 2Θ pro Minute;Scanning speed 1º 2�Theta; per minute;
Incrementenschritt 0,025º 2Θ;Increment step 0.025º 2�Theta;
Abtastbereich 6º bis 38º 2Θ; undScanning range 6º to 38º 2�Theta; and
Pulshöhenanalysator "Differentiell".Pulse height analyzer "Differential".
Die Oberflächen werden unter Anwendung der BET-Stickstoffabsorptionsmethode unter Verwendung eines Strohlein-Oberflächenmeters, Standard Instrumentation, Inc., Charleston, West Virginia, bestimmt. Die gewaschenen Pulpeproben werden in einem austarierten Probekolben getrocknet, gewogen und auf die Apparatur gestellt. Der Stickstoff wird bei der Temperatur von flüssigem Stickstoff absorbiert. Die Absorption wird mittels des Druckunterschiedes zwischen dem Probekolben und einem Bezugskolben (Manometerablesungen) gemessen und die spezi fische Oberfläche aus den Manometerablesungen, dem barometrischen Druck und dem Probengewicht berechnet.Surface areas are determined using the BET nitrogen absorption method using a Strohlein surface area meter, Standard Instrumentation, Inc., Charleston, West Virginia. The washed pulp samples are dried in a tared sample flask, weighed and placed on the apparatus. The nitrogen is absorbed at the temperature of liquid nitrogen. The absorption is measured by the pressure difference between the sample flask and a reference flask (gauge readings) and the specific surface area is calculated from the gauge readings, barometric pressure and sample weight.
Etwa 5 Milligramm getrocknete und gelockerte Pulpe werden zerfasert und ausgebreitet. Die Faserlängen und Faserdurchmesser werden unter Verwendung eines Vergrößerungsglases mit zwölffacher Vergrößerung und einem Präzisionsmillimeterretikel mit 0,05 mm Linien gemessen. Die Auflösung beträgt 0,01 mm.About 5 milligrams of dried and loosened pulp are fiberized and spread out. The fiber lengths and fiber diameters are measured using a magnifying glass with 12x magnification and a precision millimeter reticle with 0.05 mm lines. The resolution is 0.01 mm.
Dieses Beispiel beschreibt die Herstellung von Poly(p- phenylenterephthalamid)-Pulpe in einem NMP-CaCl-Lösungsmittel unter Verwendung einer Vorrichtung im Labormaßstab, wobei die Polymerisation im Batch-Verfahren erfolgt und für die Strömungsorientierung eine Couette-Zylinder-Vorrichtung verwendet wird. Die Polymerkonzentration beträgt 9 Gew.-% und die CaCl-Konzentration beträgt 5,9%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Lösung.This example describes the preparation of poly(p-phenylene terephthalamide) pulp in an NMP-CaCl solvent using a laboratory-scale apparatus, where the polymerization is carried out in a batch process and a Couette cylinder device is used for flow orientation. The polymer concentration is 9 wt.% and the CaCl concentration is 5.9%, based on the total weight of the solution.
Es wird eine Lösung von Calciumchlorid (65,8 gr; 0,593 Mol) in wasserfreiem N-Methylpyrrolidon (900 ml) hergestellt, indem gerührt und auf 85ºC erhitzt wird, um das Calciumchlorid aufzulösen. Nach dem Kühlen der Lösung auf 25ºC in einem Rundkolben mit Überkopfrührer und trockener Stickstoffspülung werden unter Mischen 45,81 g (0,4236 Mol) p-Phenylendiamin hinzugefügt und die erhaltene Lösung auf 10ºC abgekühlt. Wasserfreies Terephthaloylchlorid (TCL) (43,0 g, 0,2118 Mol) wird unter Rühren hinzugefügt, was dazu führt, daß die Temperatur auf 42,1ºC ansteigt. Die Lösung wird auf 10ºC gekühlt und das restliches TCL (43,00 g; 0,2118 Mol) unter heftigem Rühren hinzugefügt, was eine adiabatische Wärmezunahme von etwa 12ºC ergibt. Das heftige Rühren wird mit fortschreitener Polymerisation fortgesetzt.Prepare a solution of calcium chloride (65.8 g; 0.593 mol) in anhydrous N-methylpyrrolidone (900 mL) by stirring and heating to 85°C to dissolve the calcium chloride. After cooling the solution to 25°C in a round-bottom flask equipped with an overhead stirrer and a dry nitrogen purge, 45.81 g (0.4236 mol) of p-phenylenediamine is added with mixing and the resulting solution is cooled to 10°C. Anhydrous terephthaloyl chloride (TCL) (43.0 g, 0.2118 mol) is added with stirring, causing the temperature to rise to 42.1°C. The solution is cooled to 10ºC and the remaining TCL (43.00 g; 0.2118 mol) is added with vigorous stirring, giving an adiabatic heat gain of about 12ºC. Vigorous stirring is continued as polymerization progresses.
Wenn die noch polymerisierende Lösung im Ruhezustand lichtdurchlässig und beim Rühren milchig ist (die inhärente Viskosität in das Poly(p-phenylenterephthalamids) in der Mischung ist größer als etwa 1,5), wird mit dem Rühren aufgehört und die Lösung in eine Couette-Zylinder-Vorrichtung überführt. Die Couette-Zylinder-Vorrichtung umfaßt ein äußeres Rohr (Innendurchmesser 10,16 cm (4 Inches)) und einen coaxialen Innenzylinder und bildet zwischen dem Außenrohr und dem Innenzylinder ein Ringrohr mit einer Kapazität von etwa 600 ccm und einer Dicke von etwa 1,59 cm (5/8 Inch). Das Ringrohr ist mit einer Stickstoffspülung ausgestattet, und trockener Stickstoff wird in das Ringrohr geführt. Das Außenrohr ist mit einem Wassermantel versehen, um die Temperatur der Lösung in dem Ringrohr zu kontrollieren, und die Temperatur wird auf etwa 30ºC einjustiert. Der Innenzylinder rotiert mit 205 UpM, um die Lösung einer Scherbeanspruchung zu unterziehen, die sich als mittlere Scherung von 60 cm&supmin;¹ berechnen läßt, wobei die Scherung an der inneren Oberfläche 81,5 sec&supmin;¹ und an der äußeren Oberfläche 38,5 sec&supmin;¹ beträgt. Wenn die Viskosität etwa 20 Pa s (200 Poise) beträgt, (berechnet aus der Drehmomentzunahme am Rotor der Couette-Vorrichtung) wird die Bewegung des Innenzylinders abgestellt.When the still polymerizing solution is translucent at rest and milky when stirred (the inherent viscosity of the poly(p-phenylene terephthalamide) in the mixture is greater than about 1.5), stirring is stopped and the solution is transferred to a Couette cylinder apparatus. The Couette cylinder apparatus comprises an outer tube (inner diameter 10.16 cm (4 inches)) and a coaxial inner cylinder and forms between the outer tube and the inner cylinder an annular tube having a capacity of about 600 cc and a thickness of about 1.59 cm (5/8 inch). The annular tube is equipped with a nitrogen purge and dry nitrogen is fed into the annular tube. The outer tube is provided with a water jacket to control the temperature of the solution in the annular tube and the temperature is adjusted to about 30°C. The inner cylinder rotates at 205 rpm to subject the solution to a shear stress which can be calculated as an average shear of 60 cm⁻¹, with the shear at the inner surface being 81.5 sec⁻¹ and at the outer surface being 38.5 sec⁻¹. When the viscosity approximately 20 Pa s (200 poise) (calculated from the increase in torque at the rotor of the Couette device), the movement of the inner cylinder is stopped.
Die Wassertemperatur des Wassermantels der Couette wird von 30ºC auf 50ºC erhöht, und die Lösung bei dieser Temperatur 90 Minuten inkubiert. Das Gel wird aus der Couette herausgenommen und in sechs Ringe mit annähernd gleicher Größe bei verschiedenen Ebenen in der Couette (T1-82 vom oberen Ende bis zum Boden) geschnitten. Jeder Ring wurde dann zu 6,35 mm (1/4 Inch)Stücken geschnitten, wobei der Schnitt quer zur Rotationsrichtung im Couette-Zylinder erfolgte.The water temperature of the Couette water jacket is raised from 30ºC to 50ºC and the solution is incubated at this temperature for 90 minutes. The gel is removed from the Couette and cut into six rings of approximately equal size at different levels in the Couette (T1-82 from the top to the bottom). Each ring was then cut into 6.35 mm (1/4 inch) pieces, with the cut made transverse to the direction of rotation in the Couette cylinder.
Die Pulpe wird aus dem Gel isoliert, indem die Gelstücke mit 5%iger Natriumbicarbonatlösung "ausreichend Gel, um 10 g trockene Pulpe und 500 ml Bicarbonatlösung zu erzeugen) in einem Waring Mischer (etwa 1800 UpM) 12 Minuten gemischt. Das Pulpematerial wird dann durch Vakuumfiltration entwässert. Die Pulpe wird dann zweimal mit Wasser im Mischer gewaschen, gefolgt jeweils durch Entwässerung. Die aus jedem der sechs Ringe hergestellte Pulpe besteht aus feinen, sehr fibrillierten Fasern, die die in Tabelle 1 angegebenen Eigenschaften haben. Tabelle Pulpeeigenschaften Probe Inhärente Viskositä Durchmesser (mm) Länge (mm) Oberfläche on m²/gThe pulp is isolated from the gel by mixing the gel pieces with 5% sodium bicarbonate solution (sufficient gel to produce 10 g of dry pulp and 500 ml of bicarbonate solution) in a Waring blender (about 1800 rpm) for 12 minutes. The pulp material is then dewatered by vacuum filtration. The pulp is then washed twice with water in the blender, followed each time by dewatering. The pulp produced from each of the six rings consists of fine, highly fibrillated fibers having the properties given in Table 1. Table Pulp Properties Sample Inherent Viscosity Diameter (mm) Length (mm) Surface on m²/g
Mit der folgenden Zusammensetzung wird eine Standardbremsmischung hergestellt und 40 Minuten bei 180ºC zu 1,27 cm (1/2 Inch) Formbremsstäben formgepreßt:A standard brake compound is prepared using the following composition and molded into 1/2 inch (1.27 cm) molded brake rods at 180ºC for 40 minutes:
50% 200 mesh-Dolomit50% 200 mesh dolomite
15,2% Banumsulfat (BARMITE XF)15.2% barium sulfate (BARMITE XF)
15,2% CARDOLITE 104-4015.2% CARDOLITE 104-40
15,2% CARDOLITE 12615.2% CARDOLITE 126
3,8% Pulpe (aus den Proben T1-82 stammend)3.8% pulp (from samples T1-82)
Die Biegefestigkeit wird mit den folgenden Ergebnissen bei Zimmertemperatur und bei 176,7ºC (350ºF) gemessen:Flexural strength is measured at room temperature and at 176.7ºC (350ºF) with the following results:
3903 N/cm (5660 psi) bei Zimmertemperatur3903 N/cm (5660 psi) at room temperature
2262 N/cm² (3280 psi) bei 176,7ºC (350ºF)2262 N/cm² (3280 psi) at 176.7ºC (350ºF)
Kontrollbremsstäbe der gleichen Zusammensetzung, die im Handel erhältliche Pulpe aus ersponnener Faser enthält, die unter der Marke "Kevlar " von E. I. du Pont de Nemours & Co. in den Handel gebracht wird, ergeben die folgenden Biegefestigkeitswerte:Control brake rods of the same composition containing commercially available spun fiber pulp sold under the trademark "Kevlar" by E. I. du Pont de Nemours & Co. give the following flexural strength values:
4151 N/cm² (6020 psi) bei Zimmertemperatur4151 N/cm² (6020 psi) at room temperature
1324 N/cm (1920 psi) bei 176,7ºC (350ºF)1324 N/cm (1920 psi) at 176.7ºC (350ºF)
Die in Beispiel 1 beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen werden dazu verwendet, Pulpe zu erzeugen, die die in Tabelle 2 angegebenen Eigenschaften hat, mit der Ausnahme, daß die Ringe T1-82 nicht in etwa 6,35 mm (1/4") Stücke, sondern anstatt dessen zu verschiedenen Stücken zugeschnitten wurden, die mehrere 2,54 cm (Inches) lang waren. Tabelle 2 Eigenschaften Probenummer Inhärente Viskosität Durchmesser (mm) Länge (mm)The methods and apparatus described in Example 1 are used to produce pulp having the properties set forth in Table 2, except that instead of cutting the T1-82 rings into approximately 1/4" (6.35 mm) pieces, they were cut into various pieces several inches (2.54 cm) long. Table 2 Properties Sample number Inherent viscosity Diameter (mm) Length (mm)
Dieses Beispiel beschreibt die Herstellung von Poly(p- phenylenterephthalamid)-Pulpe in einem NMP-CaCl Lösungsmittel unter Einsatz einer Vorrichtung im Labormaßstab und Anwendung einer Batchpolymerisierung und halbkontinuierlichen Extrudierung. Die Polymerkonzentration beträgt 10 Gew.-%, und die Konzentration an CaCl liegt bei 6,5%, berechnet auf das Gesamtgewicht der Lösung.This example describes the preparation of poly(p-phenylene terephthalamide) pulp in an NMP-CaCl solvent using a laboratory-scale device and employing batch polymerization and semi-continuous extrusion. The polymer concentration is 10 wt% and the CaCl concentration is 6.5% calculated on the total weight of the solution.
Eine Lösung von Calciumchlorid (42 g; 0,38 Mol) in wasserfreiem N-Methylpyrrolidon (500 ml) wird durch Rühren und Erhitzen auf 90ºC hergestellt. Nach dem Kühlen der Lösung auf 25ºC in einem Rundkolben mit einem Überkopfrührer und einer Spülung mit trockenem Stickstoff werden 29,3 g (0,271 Mol) p-Phenylendiamin unter Mischen hinzugefügt und die erhaltene Lösung wurde auf 10ºC abgekühlt. Es wird wasserfreies Terephthaloylchlorid (TC1) (27,5 g; 0,136 Mol) unter Rühren hinzugefügt, was zu einem Temperaturanstieg auf 47ºC führt. Nach der Auflösung des TC1 wird die Lösung auf 0ºC gekühlt und die restliche Menge TC1 (27,5 g; 0,136 Mol) wird unter heftigem Rühren bis zur Auflösung hinzugefügt. Das heftige Rühren wird während der sich ergebenden Polymerisation fortgesetzt.A solution of calcium chloride (42 g; 0.38 mol) in anhydrous N-methylpyrrolidone (500 mL) is prepared by stirring and heating to 90ºC. After cooling the solution to 25ºC in a round-bottom flask with an overhead stirrer and a dry nitrogen purge, 29.3 g (0.271 mol) of p-phenylenediamine is added with mixing and the resulting solution is cooled to 10ºC. Anhydrous terephthaloyl chloride (TC1) (27.5 g; 0.136 mol) is added with stirring, resulting in a temperature rise to 47ºC. After dissolution of TC1, the solution is cooled to 0ºC and the remaining amount of TC1 (27.5 g; 0.136 mol) is added with vigorous stirring until dissolution. Vigorous stirring is continued during the resulting polymerization.
Wenn die noch polymerisierende Mischung im Ruhezustand lichtdurchlässig und milchig beim Rühren ist (die inhärente Viskosität des Poly(p-phenylenterephthalamids) in der Mischung war größer als etwa 1,5), wird die Lösung fließorientiert, indem sie aus dem Rundkolben mit einer Fließgeschwindigkeit von etwa 2,75 cc/sec. durch eine Düse mit einem linearen Strömungsweg einer Breite von 4 cm, einer Dicke von 4 mm und einer Länge von 45 cm gepumpt wird, um eine länglich ausgestreckte Masse einer optisch anisotropen viskosen Flüssigkeit zu erhalten. Die Schergeschwindigkeiten in der Düse reichen von 0 sec&supmin;¹ in der Zentralebene des Strömungsweges bis zu einem Maximum von etwa 30 sec&supmin;¹ an den Wänden der Düse (mittlere Scherung etwa 15 sec&supmin;¹). Die Temperatur der Düse wird auf etwa 25ºC gehalten. Der Ausgang der Düse befindet sich etwa 0,6 cm oberhalb eines horizontalen Förderbandes, umgeben von trockenem warmem Stickstoff, der auf etwa 50ºC erhitzt worden ist, und die orientierte anisotrope flüssige Lösung wird zur Inkubation auf dem Förderband abgesetzt. Das Förderband hat eine maximale Laufdistanz von etwa 45 cm. Die Düse ist in Bezug auf das Förderband so geneigt, daß ein Winkel von 1150 zwischen der Düse und dem sich von der Düse wegbewegenden Förderband gebildet wird. Die Extrusionsgeschwindigkeit und die Förderbandgeschwindigkeit wurden beide bei etwa 1,7 cm/sec gehalten. Die Breite des Förderbandes ist die gleiche wie die Breite der Düse (4 cm) und hat erhöhte Kanten, um die Lösung vom Fließen in eine Richtung abzuhalten, die senkrecht zu der Richtung der Bewegung des Förderbandes gerichtet ist. Die Dicke der Lösung auf dem Förderband beträgt etwa 3 mm. Die Viskosität der extrudierten Lösung wird auf 20 bis 30 Pa s (200-300 Poise) geschätzt. Das Förderband und die Extrudierung werden unterbrochen, wenn das Ende des Förderbandes erreicht ist.When the still polymerizing mixture is translucent at rest and milky when stirred (the inherent viscosity of the poly(p-phenylene terephthalamide) in the mixture was greater than about 1.5), the solution is flow oriented by pumping it from the round bottom flask at a flow rate of about 2.75 cc/sec through a nozzle having a linear flow path 4 cm wide, 4 mm thick, and 45 cm long to obtain an elongated mass of optically anisotropic viscous liquid. Shear rates in the nozzle range from 0 sec-1 in the central plane of the flow path to a maximum of about 30 sec-1 at the walls of the nozzle (average shear about 15 sec-1). The temperature of the nozzle is maintained at about 25°C. The exit of the nozzle is located about 0.6 cm above a horizontal conveyor belt surrounded by dry warm nitrogen heated to about 50°C, and the oriented anisotropic liquid solution is deposited on the conveyor belt for incubation. The conveyor belt has a maximum travel distance of about 45 cm. The nozzle is inclined with respect to the conveyor belt so that an angle of 1150 is formed between the nozzle and the conveyor belt moving away from the nozzle. The extrusion speed and the conveyor belt speed were both maintained at about 1.7 cm/sec. The width of the conveyor belt is the same as the width of the nozzle (4 cm) and has raised edges to prevent the solution from flowing in a direction perpendicular to the direction of conveyor belt movement. The thickness of the solution on the conveyor belt is about 3 mm. The viscosity of the extruded solution is estimated to be 20 to 30 Pa s (200-300 poise). The conveyor belt and extrusion are stopped when the end of the conveyor belt is reached.
Die Lösung wird zur Inkubation während etwa 90 Minuten unter einer erhitzten Stickstoffatmosphäre (55ºC) gehalten, bis sie ein hartes Gel wird, und damit die Reaktion in dem Gel fortschreitet, um die gewünschte inhärente Viskosität zu erreichen. Nach der Inkubation wird das Gel zu zwei Stücken quergeschnitten,die in Tabelle 3 unten mit "L1" und "L2" bezeichnet werden, wobei L1 denjenigen Teil des Gels bezeichnet, der zuerst extrudiert Wurde. Jedes Stück wird dann zur Isolierung der Pulpe in mehrere Stücke geschnitten, die mehrere Inches lang waren.The solution is kept incubated under a heated nitrogen atmosphere (55°C) for about 90 minutes until it becomes a hard gel and for the reaction in the gel to proceed to achieve the desired inherent viscosity. After incubation, the gel is cross-cut into two pieces, designated "L1" and "L2" in Table 3 below, where L1 designates the portion of the gel that was first extruded. Each piece is then cut into several pieces several inches long for isolation of the pulp.
Die Pulpe wird gemäß der nachstehenden Abfolge aus den vollständig inkubierten gehärteten Gelstücken isoliert. Die Gelstücke werden mit 5%iger Natriumbicarbonatlösung (ausreichend viel Gel, um 10 g trockene Pulpe und 500 ml Bicarbonatlösung zu erzeugen) in einem Waring Mischer bei hoher Geschwindigkeit (etwa 1800 UpM) 12 Minuten lang gemischt. Das auf diese Weise isolierte Pulpematerial wurde mittels Vakuumfiltration entwässert. Die Pulpe wird zweimal mit heißem Wasser in dem Mischer gewaschen, jeweils gefolgt von Entwässerung. Die so hergestellte Pulpe besteht aus feinen, sehr fibrillierten Fasern und hat die in Tabelle 3 angegebenen Eigenschaften. Tabelle 3 Pulpeeigenschaften Inhärente Viskosität Durchmesser der Fasern Länge der Fasern OberflächePulp is isolated from the fully incubated hardened gel pieces according to the following sequence. The gel pieces are mixed with 5% sodium bicarbonate solution (enough gel to produce 10 g of dry pulp and 500 ml of bicarbonate solution) in a Waring blender at high speed (approximately 1800 rpm) for 12 minutes. The pulp material thus isolated was filtered by vacuum filtration dewatered. The pulp is washed twice with hot water in the mixer, each time followed by dewatering. The pulp thus produced consists of fine, highly fibrillated fibers and has the properties given in Table 3. Table 3 Pulp properties Inherent viscosity Diameter of fibres Length of fibres Surface
Die Pulpe wird in ein Standardbremsgemisch eingearbeitet, zu Stäben geformt und gemäß den Verfahren von Beispiel I getestet, wobei die folgenden Biegefestigkeitswerte erhalten wurden:The pulp is incorporated into a standard brake mixture, formed into bars and tested according to the procedures of Example I, obtaining the following flexural strength values:
3664 N/cm (5314 psi) bei Zimmertemperatur3664 N/cm (5314 psi) at room temperature
1278 N/cm (1854 psi) bei 176,7ºC (350ºF)1278 N/cm (1854 psi) at 176.7ºC (350ºF)
Dieses Beispiel beschreibt die Herstellung von Poly(p- phenylenterephthalamid)-Pulpe in einem NMP-CaCl-Lösungsmittel unter Verwendung der gleichen Vorrichtung wie in Beispiel 3 zur Batchpolymerisierung und halbkontinuierlichen Extrudierung. Die Gelstücke L1 und L2 werden nach der Inkubation und vor der Pulpeisolierung in einem Winkel von 90ºC zur Länge des Gels zu 6,35 mm (1/4 inch) breiten Streifen geschnitten. Die Polymerkonzentration beträgt 7 Gew.-%, und die Konzentration an CaCl liegt bei 3,8%, bezogen auf das Gesamtgewicht der LösungThis example describes the preparation of poly(p-phenylene terephthalamide) pulp in an NMP-CaCl solvent using the same batch polymerization and semi-continuous extrusion equipment as in Example 3. The gel pieces L1 and L2 are cut into 6.35 mm (1/4 inch) wide strips at an angle of 90° to the length of the gel after incubation and before pulp isolation. The polymer concentration is 7% by weight and the CaCl concentration is 3.8% based on the total weight of the solution.
Eine Lösung von Calciumchlorid (24,30 g; 0,22 Mol) in wasserfreiem N-Methylpyrrolidon (540 ml) wird unter Rühren und Erhitzen auf 75ºC hergestellt. Nach dem Abkühlen der Lösung auf 25ºC in einem Rundkolben mit einem Überkopfrührer und einer Spülung mit trockenem Stickstoff werden 20,24 g (0,1872 Mol) p-Phenylendiamin unter Mischen hinzugefügt, und die erhaltene Lösung wurde auf 10ºC abgekühlt. Unter Rühren wird wasserfreies Terephthaloylchlorid (TCL) (19,00 g; 0,0936 Mol) hinzugefügt, was zu einem Temperaturanstieg auf 35, 3ºC führt. Nach der Auflösung des TCL wird die Lösung auf 5ºC abgekühlt und der zweite Teil des TCL (19,00 g; 0,0936 Mol) unter heftigem Rühren bis zur Auflösung hinzugefügt. Das heftige Rühren wird während der sich ergebenden Polymerisation fortgesetzt.Prepare a solution of calcium chloride (24.30 g; 0.22 mol) in anhydrous N-methylpyrrolidone (540 mL) with stirring and heating to 75ºC. After cooling the solution to 25ºC in a round-bottomed flask fitted with an overhead stirrer and purged with dry nitrogen, 20.24 g (0.1872 mol) of p-phenylenediamine was added with mixing and the resulting solution was cooled to 10°C. With stirring, anhydrous terephthaloyl chloride (TCL) (19.00 g; 0.0936 mol) was added, causing a temperature rise to 35.3°C. After dissolution of the TCL, the solution was cooled to 5°C and the second portion of TCL (19.00 g; 0.0936 mol) was added with vigorous stirring until dissolved. Vigorous stirring was continued during the resulting polymerization.
Wenn die noch polymerisierende Lösung im Ruhezustand lichtdurchlässig und milchig beim Rühren ist (die inhärente Viskosität des Poly(p-phenylenterephthalamids) in der Mischung war größer als 1,5), wird die Lösung strömungsorientiert, in dem sie aus dem Rundkolben mit einer Fließgeschwindigkeit von etwa 1,85 ccm/sec durch eine Düse mit einem linearen Strömungsweg einer Breite von 4 cm, einer Dicke von 4 mm und einer Länge von 45 cm gepumpt wird, um eine länglich ausgestreckte Masse einer optisch anisotropen viskosen Flüssigkeit zu bilden. Die Schwergeschwindigkeiten in der Düse reichen von sec -1 in der Zentralebene des Strömungsweges in der Düse bis zu einem Maximum von etwa 30 sec&supmin;¹ an den Wänden der Düse (mittlere Scherung 15 sec&supmin;¹). Die Temperatur der Düse wird auf etwa 25ºC gehalten. Der Ausgang der Düse befindet sich etwa 0,6cm oberhalb eines horizontalen Förderbandes, das in warmem trockenem Stickstoff eingehüllt ist, der auf etwa oberhalb 45ºC erhitzt worden ist, und die orientierte anisotrope flüssige Lösung wird zur Inkubation auf dem Förderband abgesetzt. Das Förderband hat eine maximale Lauflänge von etwa 45 cm. Die Düse ist in Bezug auf das Förderband so geneigt, daß ein Winkel von 115ºC zwischen der Düse und dem sich von der Düse wegbewegenden Förderband gebildet wird. Die Extrudierungsgeschwindigkeit wird auf etwa 1,25 cm/sec geschätzt, und die Geschwindigkeit des Förderbandes wird bei etwa 1,35 cm/sec gehalten. Die Breite des Förderbandes ist die gleiche wie die Breite der Düse (4 cm) und hat erhöhte Kanten, um die Lösung davon abzuhalten, in eine Richtung zu fließen, die senkrecht zu der Richtung der Bewegung des Förderbandes steht.When the still polymerizing solution is translucent at rest and milky upon stirring (the inherent viscosity of the poly(p-phenylene terephthalamide) in the mixture was greater than 1.5), the solution is flow oriented by pumping it from the round bottom flask at a flow rate of about 1.85 cc/sec through a nozzle having a linear flow path 4 cm wide, 4 mm thick, and 45 cm long to form an elongated mass of optically anisotropic viscous liquid. Gravity velocities in the nozzle range from sec -1 in the central plane of the flow path in the nozzle to a maximum of about 30 sec -1 at the walls of the nozzle (average shear 15 sec -1). The temperature of the nozzle is maintained at about 25°C. The exit of the nozzle is located about 0.6 cm above a horizontal conveyor belt enveloped in warm dry nitrogen heated to about above 45°C, and the oriented anisotropic liquid solution is deposited on the conveyor belt for incubation. The conveyor belt has a maximum travel length of about 45 cm. The nozzle is inclined with respect to the conveyor belt so that an angle of 115°C is formed between the nozzle and the conveyor belt moving away from the nozzle. The extrusion rate is estimated to be about 1.25 cm/sec, and the speed of the conveyor belt is maintained at about 1.35 cm/sec. The width of the conveyor belt is the same as the width of the nozzle (4 cm) and has raised edges to prevent the solution from flowing in one direction. which is perpendicular to the direction of movement of the conveyor belt.
Die Viskosität der extrudierten Lösung wird auf etwa 30 Pa s (300 Poise) geschätzt. Die Dicke der Lösung auf dem Förderband liegt bei etwa 2 bis 4 mm. Das Förderband und die Extrudierung werden angehalten, sobald das Ende des Förderbandes erreicht ist.The viscosity of the extruded solution is estimated to be about 30 Pa s (300 poise). The thickness of the solution on the conveyor belt is about 2 to 4 mm. The conveyor belt and the extrusion are stopped once the end of the conveyor belt is reached.
Die Lösung wird zur Inkubation für etwa 120 Minuten unter einer erhitzten Stickstoffatmosphäre (45ºC) gehalten, bis sie ein hartes Gel wird, und damit die Reaktion in dem Gel fortschreitet. Das Gel wird zu zwei Stücken "L1" und "L2" geschnitten, wobei L1 denjenigen Teil des Gels bezeichnet, der zuerst extrudiert worden ist. Das Gel wird dann in einem Winkel von 90º zu der Länge des Gels zu etwa 6,35 mm (1/4") breiten Streifen geschnitten.The solution is incubated under a heated nitrogen atmosphere (45ºC) for about 120 minutes until it becomes a hard gel and the reaction in the gel proceeds. The gel is cut into two pieces "L1" and "L2", where L1 is the part of the gel that was first extruded. The gel is then cut into strips about 6.35 mm (1/4") wide at an angle of 90º to the length of the gel.
Die Pulpe wird gemäß der nachstehenden Abfolge aus den vollständig inkubierten und gehärteten Gelstreifen isoliert. Die Gelstücke werden in einem Waring Mischer hoher Geschwindigkeit (1800 UpM) 12 Minuten lang mit 5%iger Natriumbicarbonatlösung gemischt (ausreichend viel Gel, um 10 g trockene Pulpe und 500 ml Bicarbonatlösung zu erzeugen). Das auf diese Weise isolierte Pulpematerial wird durch Vakuumfiltration entwässert. Die Pulpe wird in dem Mischer zweimal mit heißem Wasser gewaschen, jeweils gefolgt von einer Entwässerungsstufe. Die so hergestellte Pulpe besteht aus feinen, sehr fibrillierten Fasern und hat die in Tabelle 4 angegebenen Eigenschaften. Tabelle 4 Pulpeeigenschaften Inhärente Viskosität Durchmesser der Fasern Länge der Fasern Oberfläche (m²/g)Pulp is isolated from the fully incubated and hardened gel strips according to the following sequence. The gel pieces are mixed in a Waring blender at high speed (1800 rpm) for 12 minutes with 5% sodium bicarbonate solution (enough gel to produce 10 g of dry pulp and 500 ml of bicarbonate solution). The pulp material thus isolated is dewatered by vacuum filtration. The pulp is washed twice with hot water in the blender, each time followed by a dewatering step. The pulp thus produced consists of fine, highly fibrillated fibers and has the properties given in Table 4. Table 4 Pulp properties Inherent viscosity Diameter of fibres Length of fibres Surface area (m²/g)
Dieses Beispiel beschreibt die Herstellung von Poly(p- phenylenterephthalamid)-Pulpe in einem NMP-CaCl-Lösungsmittel unter Einsatz der gleichen Vorrichtung wie in Beispiel 4 für die Batchpolymerisation und halbkontinuierliche Extrudierung.This example describes the preparation of poly(p-phenylene terephthalamide) pulp in an NMP-CaCl solvent using the same equipment as in Example 4 for batch polymerization and semi-continuous extrusion.
Die Verfahren von Beispiel 4 werden befolgt, mit der Ausnahme, daß das Gel vor der fortgesetzten Inkubation in Querrichtung geschnitten worden ist, wie in dem nachfolgenden Absatz beschrieben wird. Die Polymerkonzentration beträgt wie in Beispiel 4 7 Gew.-%, und die Konzentration an CaCl liegt bei 3,8%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Lösung.The procedures of Example 4 are followed except that the gel is cut transversely prior to continued incubation as described in the following paragraph. The polymer concentration is 7 wt% as in Example 4 and the concentration of CaCl is 3.8% based on the total weight of the solution.
Die Lösung wird zur Inkubation etwa 8 Minuten (ab dem Zeitpunkt, ab dem die Lösung auf dem Förderband abgesetzt wird, bis zum Schneiden) unter einer erhitzten Stickstoffatmosphäre (50ºC) gehalten, bis es ein hartes Gel wird. Das Gel wird zu zwei Stücken "L1" und "L2" geschnitten und dann in einem Winkel von 90ºC zur Länge des Gels zu etwa 6,35 mm (1/4") breiten Streifen geschnitten. Damit die Reaktion in dem Gel fortgesetzt wird, wird die Inkubation etwa 110 Minuten bei 50ºC fortgesetzt.The solution is incubated under a heated nitrogen atmosphere (50ºC) for approximately 8 minutes (from the time the solution is deposited on the conveyor until it is cut) until it becomes a hard gel. The gel is cut into two pieces "L1" and "L2" and then cut into strips approximately 6.35 mm (1/4") wide at an angle of 90ºC to the length of the gel. To allow the reaction to continue in the gel, incubation is continued at 50ºC for approximately 110 minutes.
Die so hergestellte Pulpe besteht aus feinen, sehr fibrillierten Fasern, und die Eigenschaften sind in Tabelle 5 angegeben. Tabelle 5 Pulpeeigenschaften Inhärente Viskosität Durchmesser der Faser Länge der FaserThe pulp thus produced consists of fine, highly fibrillated fibres and the properties are given in Table 5. Table 5 Pulp properties Inherent viscosity Fiber diameter Fiber length
Dieses Beispiel offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Poly(p-phenylenterephthalamid) (PPD-T)-Pulpe unter Verwendung einer länglich ausgestreckten Strömungsorientie rungs-Vorrichtung mit porösen Wänden, die eine Schicht N- Methylpyrrolidon auf der Innenseite der den Strömungsweg bildenden Wände bereitstellen, um die Bildung von Ablagerungen auf einem Minimum zu halten.This example discloses a process for producing poly(p-phenylene terephthalamide) (PPD-T) pulp using an elongated flow orientation porous wall filtration device that provides a layer of N-methylpyrrolidone on the inside of the flow path walls to minimize deposit formation.
Eine längliche Fließorientierungsvorrichtung mit einem sich linear verjüngenden rechteckigen Strömungsweg aus porösen Metallplatten wird an die Auslaßöffnung einer 12,7 cm (5-inch) Doppelschneckenpolymerisiervorrichtung montiert, deren sämtliche Oberflächen abgestreift werden, und die einen sie umgebenden Mantel besitzt, jedoch ohne eine Kühlflüssigkeit betrieben wird. Die Fließorientierungsvorrichtung weist einen senkrecht nach unten gerichteten Strömungsweg auf und besitzt einen Einlaß mit den Abmessungen 1,12 cm x 4,83 cm (0,44 inches x 1,9 inches), um direkt das aus der Polymerisiervorrichtung entladene Material aufzunehmen, eine Länge von etwa 6,35 cm (2,5 inches) sowie einen Ausgang mit den Abmessungen 0,58 x 4,83 cm (0,23 x 1,9 inches). Die porösen Platten, die die Wände bilden, sind poröse Platten aus rostfreiem Stahl 316, und sie sind etwa 0,318 cm (0,125 inches) dick und besitzen eine Porösität von 0,2 bis 1,0 µm (microns). Die Platten werden in einem Gehäuse gehalten, wobei geeignete Leitungen vorgesehen sind, die N-Methylpyrrolidon zu den äußeren Oberflächen der Platten bringen.An elongated flow orientator having a linearly tapered rectangular flow path made of porous metal plates is mounted to the outlet of a 5-inch (12.7 cm) twin-screw polymerizer having all surfaces stripped and a surrounding jacket but operating without a cooling liquid. The flow orientator has a vertically downward flow path and has an inlet measuring 0.44 inches x 1.9 inches (1.12 cm x 4.83 cm) to directly receive material discharged from the polymerizer, a length of approximately 2.5 inches (6.35 cm), and an outlet measuring 0.23 inches x 1.9 inches (0.58 cm x 4.83 cm). The porous plates forming the walls are 316 stainless steel porous plates and are approximately 0.318 cm (0.125 inches) thick and have a porosity of 0.2 to 1.0 µm (microns). The plates are held in a housing with suitable conduits provided to deliver N-methylpyrrolidone to the outer surfaces of the plates.
Ausder Polymerisiervorrichtung wird eine aktiv-polymensierende 9,2 gew.-%ige Poly(p-phenylenterephthalamid)-Lösung in N-Methylpyrrolidon (NMP) und Calciumchlorid entladen (das Molverhältnis von CaCl zu der ursprünglichen Menge an p- Phenylendiamin beträgt 1,38). Während die PPD-T Lösung noch polymerisiert wird sie mit einer Polymerfließgeschwindigkeit von 12,3 pH aus der Strömungsorientierungsvorrichtung extrudiert. Die inneren Oberflächen der porösen Wände werden ständig mit einer NMP-Schicht versorgt, die aus den porösen Metallplatten mit einer Fließgeschwindigkeit von annähernd 0,26 ml/cm²/min (1,7 ml/sq. in./min.), bezogen auf die Gesamtf läche der porösen Platten, die mit der PPD-T-Lösung in Berührung sind, austritt. Die inhärente Viskosität des Poly(p- phenylenterephthalamids) in der aus der Strömungsorientierungsvorrichtung austretenden Lösung beträgt etwa 2,3.An actively polymerizing 9.2 wt.% poly(p-phenylene terephthalamide) solution in N-methylpyrrolidone (NMP) and calcium chloride is discharged from the polymerizer (the molar ratio of CaCl to the original amount of p-phenylenediamine is 1.38). While the PPD-T solution is still polymerizing, it is extruded from the flow orientation device at a polymer flow rate of 12.3 pH. The inner surfaces of the porous walls are continuously supplied with a layer of NMP extruded from the porous metal plates at a flow rate of approximately 0.26 ml/cm2/min (1.7 ml/sq. in./min.) based on the total area of the porous plates exposed to the PPD-T solution. The inherent viscosity of the poly(p-phenylene terephthalamide) in the solution exiting the flow orientation device is approximately 2.3.
Die viskose, jedoch immer noch flüssige Lösung, die aus der Strömungsorientierungsvorrichtung austritt, wird periodisch auf einer horizontalen Platte gesammelt, wobei die Platte unter dem Auslaß mit einer Geschwindigkeit bewegt wird, die etwa gleich groß ist wie die Geschwindigkeit der aus dem Strömungsweg austretenden Lösung. Die in etwa 5,1 cm (2 inch) breite Streifen extrudierte Lösung wird auf der Platte bei Umgebungsbedingungen inkubiert und geliert innerhalb etwa 40 Sekunden zu einem weichen Gel. Das Gel wird dann quer zur Fließrichtung in 0,95 cm (3/8 inch) Stücke geschnitten. Die 15 geschnittenen Stücke werden dann zur weiteren Inkubation eine Stunde in einen Wärmeschrank bei etwa 44ºC gegeben.The viscous, but still liquid, solution exiting the flow orientation device is periodically collected on a horizontal plate with the plate being moved beneath the outlet at a speed approximately equal to the speed of the solution exiting the flow path. The solution, extruded into strips approximately 5.1 cm (2 inch) wide, is incubated on the plate at ambient conditions and gels to a soft gel in approximately 40 seconds. The gel is then cut into 0.95 cm (3/8 inch) pieces across the direction of flow. The 15 cut pieces are then placed in an oven at approximately 44°C for further incubation for one hour.
Zur Isolierung der Pulpe werden die inkubierten Stücke in einem Waring Mischer in Wasser gegeben und einige Minuten bei hoher Geschwindigkeit gerührt. Die Pulpe wird fünfmal abwechselnd auf einem Filter gesammelt und zum kurzen Rühren mit Wasser in den Mischer zurückgeführt. Das isolierte Pulpeprodukt besteht aus hochfibrillierter PPD-T-Pulpe mit einer inhärenten Viskosität von 3,1.To isolate the pulp, the incubated pieces are placed in water in a Waring blender and stirred at high speed for several minutes. The pulp is collected on a filter five times in alternating cycles and returned to the blender for brief stirring with water. The isolated pulp product consists of highly fibrillated PPD-T pulp with an inherent viscosity of 3.1.
Zur Herstellung der Lösung und zur Extrudierung werden die gleiche Gerätschaft und die gleichen Verfahren wie in Beispiel 6 verwendet, mit der Ausnahme, daß die extrudierte Lösung bei einer Polymerfließgeschwindigkeit von 5,62 kg (12,4 pounds) pro Stunde erzeugt wird und die N-Methylpyrrolidonströmungsgeschwindigkeit bei 0,68 ml/cm²/Minute (4,4 ml/sq. in./minute) liegt. Die Polymerisation und die Extrudierung werden in einem Zeitraum von 5 Stunden durchgeführt. Der Strömungsweg der Fließorientierungsvorrichtung bleibt während des fünfstündigen Laufes im wesentlichen frei von irgendwelchen Ablagerungen, wobei gelegentlich eine kleinere Teilverstopfung nahe des Strömungswegausganges auftritt, die jedoch leicht mechanisch entfernt und der Fließweg wieder vollständig geöffnet wird.The same equipment and procedures are used for solution preparation and extrusion as in Example 6, except that the extruded solution is produced at a polymer flow rate of 5.62 kg (12.4 pounds) per hour and the N-methylpyrrolidone flow rate is 0.68 ml/cm²/minute (4.4 ml/sq. in./minute). The polymerization and extrusion are carried out over a period of 5 hours. The flow path of the flow orientator remains essentially free of any debris during the 5 hour run, with occasional minor partial blockage. near the flow path exit, which can easily be removed mechanically and the flow path can be completely reopened.
Dieses Beispiel beschreibt die Herstellung von Poly(p- phenylenterephthalamid)-Pulpe in einem NMP-CaCl-Lösungsmittel unter Verwendung einer kontinuierlichen Produktionsvorrichtung im Pilotmaßstab.This example describes the preparation of poly(p-phenylene terephthalamide) pulp in an NMP-CaCl solvent using a pilot-scale continuous production device.
Eine p-Phenylendiamin-Lösung in NMP-CaCl bei einer Temperatur von 10ºC, die 5,5% p-Phenylendiamin, 7,4% CaCl, 87,1% NMP und weniger als 200 ppm Wasser enthält, wird zu einem Mischer geführt und mit einer Menge geschmolzenem TCL gemischt, die 35% der stöchiometrischen Menge entspricht. Das erhaltene Prepolymere wird durch einen Wärmeaustauscher gepumpt, um das Prepolymere auf etwa 5ºC abzukühlen. Das Prepolymere wird dann mit einer solchen Rate mit geschmolzenem TC1 gemischt, daß ein stöchiometrischer Ausgleich zwischen dem TC1 und Diamin in der Mischung erzielt wird, unter Verwendung einer Vorrichtung, wie sie in dem U.S. Patent 3,849,074 offenbart ist. Diese Mischung wird kontinuierlich durch eine kontinuierliche 2-inch-Manteldoppelschneckenpolymerisiervorrichtung hindurchgeführt, welche jedoch ohne eine Kühlflüssig keit betrieben wird. Es werden solche Mengen an Reaktionsteilnehmern eingesetzt, daß PPD-T mit einer Geschwindigkeit von etwa 4,5 kg (10 lbs) pro Stunde erzeugt wird.A p-phenylenediamine solution in NMP-CaCl at a temperature of 10°C containing 5.5% p-phenylenediamine, 7.4% CaCl, 87.1% NMP and less than 200 ppm water is fed to a mixer and mixed with an amount of molten TCL equal to 35% of the stoichiometric amount. The resulting prepolymer is pumped through a heat exchanger to cool the prepolymer to about 5°C. The prepolymer is then mixed with molten TCL at a rate such that a stoichiometric balance is achieved between the TCL and diamine in the mixture using an apparatus such as disclosed in U.S. Patent 3,849,074. This mixture is continuously passed through a 2-inch continuous jacketed twin-screw polymerizer, which is operated without a cooling liquid. Amounts of reactants are used such that PPD-T is produced at a rate of about 4.5 kg (10 lbs) per hour.
Die flüssige Lösung aus der Polymerisiervorrichtung fließt direkt in eine enggekoppelte Strömungsorientierungsvorrichtung und dann auf ein kontinuierliches Förderband, um das extrudierte Material wegzubefördern. Die Strömungsorientierungsvorrichtung und die Polymerisiervorrichtung sind von der Art, wie sie in den Figuren 2 und 3 beschrieben sind, und sie besitzen poröse Wände, die einen Dehnungströmungsweg definieren, einen Einlaß zu dem Strömungsweg mit den Abmessungen 1,91 x 3,18 cm (0,75 x 1,25 inches), einen Auslaß mit den Abmessungen 0,64 x 3,18 cm (0,25 x 1,25) inches und eine Strömungsweglänge von 11,4 cm (4,5 inches). N-Methylpyrrolidon wird mit einer ausreichenden Fließgeschwindigkeit der Strömungsorientierungsvorrichtung zugeführt, um eine Grenzschicht zwischen den porösen Wänden und der Lösung zu bilden und aufrechtzuerhalten. Das Förderband ist 20,3 cm (8 inches) breit, besitzt eine Länge von etwa 40 feet und ist im allgemeinen horizontal. Die Förderbandoberfläche befindet sich etwa 1,27 cm (1/2 inch) unterhalb des Strömungswegausganges, und der Winkel des Strömungsweges der Strömungsorientierungsvorrichtung in Bezug auf die Förderbandoberfläche beträgt 90º. Der gesamte Förderbandbereich und der Fließorientierungsvorrichtungsausgang sind von auf 45ºC erhitztem Stickstoff eingeschlossen und umhüllt. Ein etwa 3,18 cm (1,25 inch) breiter Streifen der Lösung wird mit einer Geschwindigkeit von etwa 3,57 m/min (11,7 ft/min) aus der Vorrichtung extrudiert, und die Förderbandgeschwindigkeit beträgt ebenfalls etwa 3,57 m/min (11,7 ft/min)The liquid solution from the polymerizer flows directly into a close coupled flow orientator and then onto a continuous conveyor belt to carry away the extruded material. The flow orientator and polymerizer are of the type described in Figures 2 and 3 and have porous walls defining an elongation flow path, an inlet to the flow path having dimensions 1.91 x 3.18 cm (0.75 x 1.25 inches), an outlet measuring 0.64 x 3.18 cm (0.25 x 1.25) inches, and a flow path length of 11.4 cm (4.5 inches). N-methylpyrrolidone is fed to the flow orientator at a flow rate sufficient to form and maintain an interface between the porous walls and the solution. The conveyor belt is 20.3 cm (8 inches) wide, has a length of about 40 feet, and is generally horizontal. The conveyor belt surface is about 1.27 cm (1/2 inch) below the flow path exit, and the angle of the flow orientator flow path with respect to the conveyor belt surface is 90º. The entire conveyor belt area and the flow orientator exit are enclosed and enveloped in nitrogen heated to 45ºC. A strip of solution approximately 3.18 cm (1.25 inch) wide is extruded from the apparatus at a speed of approximately 3.57 m/min (11.7 ft/min) and the conveyor belt speed is also approximately 3.57 m/min (11.7 ft/min)
Der Lösungsstreifen härtet, nachdem er auf dem Band eine Wegstrecke von 10,67 m (35 feet) (etwa 3 Minuten) zurückgelegt hat. Eine Guillotineschneidvorrichtung, deren Takt auf die Förderbandgeschwindigkeit eingestellt ist, befindet sich 7,6 cm (3 inches) vor dem Ende der horizontalen Oberfläche des Förderbandes, und die Schneidvorrichtung schneidet das Gel in einem Winkel von 90º zur Länge des Gels zu etwa 0,64 cm (1/4") Stücken. Die das Ende des horizontalen Teils des Förderbands erreichenden Gelstücke fallen in 18,9 1 (5 Gallon) Behälter.The solution strip hardens after traveling 35 feet (10.67 m) on the belt (about 3 minutes). A guillotine cutter, timed to the conveyor speed, is located 3 inches (7.6 cm) from the end of the horizontal surface of the conveyor, and the cutter cuts the gel into approximately 1/4" (0.64 cm) pieces at 90º to the length of the gel. The gel pieces that reach the end of the horizontal portion of the conveyor fall into 5 gallon (18.9 l) containers.
Wenn die Behälter gefüllt sind, werden sie für die Fortführung der Inkubation 60 Minuten bei 45ºC in einen Ofen gegeben.Once the containers are filled, they are placed in an oven at 45ºC for 60 minutes to continue incubation.
Die Behälter werden periodisch aus dem Ofen genommen und in Tonkneter kleiner Kapazität (etwa 94,6 1 (etwa 25 gal)) entleert, die mit einer verdünnten Natriumhydroxidlösung versorgt werden. In dem Tonkneter erfolgen Neutralisation und Koagulation gleichzeitig mit einer ersten Zerkleinerung. Der Austrag aus dem Tonkneter wird kontinuierlich zur weiteren Zerkleinerung in einen Refiner geführt. Der Austrag aus dem Ref iner wird dann in einen Aufschlämmungstank überführt, in dem ein Volumen von etwa 757 1 (etwa 200 gallon) Aufschlämmung unter Rühren aufbewahrt werden. Aus dem Aufschlämmungstank wird kontinuierlich Aufschlämmung auf einem horizontalen Filter (Länge 10,67 m (35 feet) und Breite 43,2 cm (17 inches)) abgesetzt, wo die Pulpe zwölfmal abwechselnd gewaschen und im Vakuum entwässert wird. Der erhaltene Naßkuchen wird dann kontinuierlich in einem mit Dampf erhitzten Trommeltrockner getrocknet.The containers are periodically removed from the furnace and emptied into small capacity clay kneaders (about 94.6 litres (about 25 gal)) which are supplied with a dilute sodium hydroxide solution. In the clay kneader, neutralization and coagulation take place simultaneously with a first crushing. The Discharge from the clay kneader is continuously fed to a refiner for further reduction. The discharge from the refiner is then transferred to a slurry tank in which a volume of about 757 l (about 200 gallons) of slurry is held under agitation. From the slurry tank, slurry is continuously deposited on a horizontal filter (length 10.67 m (35 feet) and width 43.2 cm (17 inches)) where the pulp is alternately washed and dewatered in vacuum twelve times. The resulting wet cake is then continuously dried in a steam-heated drum dryer.
Die erzeugte Pulpe besteht aus feiner, sehr fibrillierter Pulpe mit einem Bereich von Durchmessern von weniger als 0,15 mm, einer Länge von weniger oder gleich etwa 6 mm und einer Oberfläche von größer als 4,0 m²/g.The pulp produced consists of fine, highly fibrillated pulp with a range of diameters of less than 0.15 mm, a length of less than or equal to about 6 mm and a surface area of greater than 4.0 m²/g.
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